Kohlenstoffgruppe

Die Kohlenstoffgruppe ist die 4. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Zu dieser Gruppe gehören die Elemente Kohlenstoff (C), Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Zn) und Blei (Pb). Die Elemente dieser Gruppe werden auch Tetrele genannt.

Definition der Kohlenstoffgruppe

Abbildung 1: Periodensystem der Elemente mit hervorgehobener Kohlenstoffgruppe

Die Kohlenstoffgruppe ist nach neuer IUPAC Nummerierung die Gruppe 14 des Periodensystems. Alle Elemente der Kohlenstoffgruppe besitzen vier Valenzelektronen. Dabei handelt es sich beim Kohlenstoff um ein Nichtmetall, während Silicium und Germanium Halbmetalle sind. Zinn und Blei gehören zu den Metallen.

Kohlenstoffgruppe – Besonderheiten und allgemeine Trends

In der Kohlenstoffgruppe hat Kohlenstoff in seiner Modifikation Graphit den höchsten Schmelz- und Sublimationspunkt. Dann sinken Schmelz- und Siedepunkte bis Zinn und nehmen bei Blei wieder zu.

Die Atomradien werden mit steigender Ordnungszahl größer. Das korreliert mit der sinkenden Ionisierungsenergie, denn je kleiner das Atom, desto stärker ist die Anziehung des Kerns für die Valenzelektronen. Blei stellt dabei eine Ausnahme dar. In der Kohlenstoffgruppe nimmt die Tendenz, Atome desselben Elements über kovalente Bindungen zu verknüpfen, von Kohlenstoff zu Blei stark ab.

Die Ionisierungsenergie und der Bindungscharakter in der Kohlenstoffgruppe

Die Ionisierungsenergien in der Kohlenstoffgruppe sind recht hoch, sodass die Abspaltung der vier Valenzelektronen sehr viel Energie benötigt. Daher bilden die Elemente der Kohlenstoffgruppe keine Kationen mit vierfach positiver Ladung. Germanium, Zinn und Blei bilden lediglich zweifach positive Kationen. Bei den Verbindungen dieser Kationen sind nur wenige mit Pb2⁺ als Ionenbindung charakterisiert, während in Zinn(II)- und Germanium(II)-Verbindungen der kovalente Charakter überwiegt.

Weitere Trends

Kohlenstoff hat in der Gruppe die höchste Elektronegativität und Silicium die niedrigste. Blei steht an zweiter Stelle, während Germanium und Zinn zusammen auf Platz drei liegen. Der metallische Charakter der Elemente nimmt von Kohlenstoff zu Blei zu. Dabei hat Zinn die höchste elektrische Leitfähigkeit in der Gruppe. Mit steigender Ordnungszahl steigt auch die Dichte der Elemente, jedoch können Elementmodifikationen (z. B. Diamant oder ) Ausnahmen darstellen.

Kohlenstoffgruppe – Eigenschaften

• In Verbindungen als Energieträger wie Methan oder Erdöl
• als synthetischen Kohlenstoffpolymeren z. B. in Plastik
• in Stahllegierungen
• in Form von Graphit als Bleistiftmine
• als Reduktionsmittel zur Reduktion von Metalloxiden
• als Diamant in Bohrköpfen und zum Schneiden von Glas.

Eigenschaften und Besonderheiten von Silicium

Das Halbmetall Silicium ist ein Halbleiter. Silicium bildet ebenfalls kovalente Bindungen aus.

Der Grund dafür ist die hohe Ionisierungsenergie: Die Ausbildung von Ionenbindungen würde sehr viel Energie benötigen. Es kann im Gegensatz zum Kohlenstoff bis zu sechs kovalente Bindungen ausbilden. Silicium hat eine dunkelgraue, bläuliche Farbe. Es ist ein sehr häufig vorkommendes Element. So besteht die Erdkruste zu einem Massenanteil von 26 % aus Silicium. Wegen seiner hohen Sauerstoffaffinität kommt es in der Natur nie elementar, sondern als Siliciumdioxid oder Silicat vor. Im Gegensatz zum Kohlenstoffdioxid ist das Siliciumdioxid ein Polymer.

Verwendung von Silicium

• Als Halbleiter in z. B. Solarzellen
• in Legierungen
• in Betonherstellung
• als Kaolinit in Porzellan
• in Glasherstellung
• als Silikone

Eigenschaften und Besonderheiten von Germanium

Das Element Germanium ist ein gräulich weißes Halbmetall. Es kommt vor allem als Sulfid und in Kupfer- und Zinkerzen vor.

Die wichtigsten Germanium-Verbindungen sind Argyrodit ( Ag₈GeS₆) und Germanit (Cu₆FeGe₂S₈). Germanium ist ein sprödes und reaktionsträges Element. Für die Reaktion mit Sauerstoff benötigt es hohe Temperaturen. Wie Silicium, ist auch Germanium ein Halbleiter. So liegt seine elektrische Leitfähigkeit zwischen Leitern und Nichtleitern und nimmt mit steigender Temperatur zu.

Verwendung von Germanium

• Als Halbleiter in z. B. Transistoren
• als Germaniumlinsen in Nachtsichtgeräten und Wärmebildkameras
• als Germaniumdioxid als Katalysator in der Polyester-Herstellung
• als Strahlendetektor
• in LEDs.

Eigenschaften und Besonderheiten von Zinn

Zinn ist ein Schwermetall. In der nicht-metallischen α-Modifikation ist es grau und in der metallischen β-Modifikation silberweiß glänzend. Zudem existiert eine dritte Modifikation: γ-Zinn.

Es ist ein sehr weiches Material mit einem für Metalle niedrigen Schmelzpunkt. In der Natur kommt es in Form von Zinnmineralen wie Kassiterit (auch Zinnstein, SnO₂) oder Stannin (auch Zinnkies, Cu₂FeSnS₄) vor. Zinn bildet keine langen Zinnwasserstoffketten mehr aus, denn es ist nur eine Zinn-Zinn-Bindung möglich.

Verwendung von Zinn

• Als Lötzinn zur Verbindung von Metallen
• als Legierung (z. B. Bronze: Zinn-Kupfer-Legierung)
• als Zinnverbindungen in PVC zur Stabilisation
• als Indiumzinnoxid in LC-Displays.

Eigenschaften und Besonderheiten von Blei

Beim Element Blei handelt es sich um ein bläulich-weißes, giftiges Schwermetall. In der Natur kommt es sehr selten elementar vor. Du kannst es dort eher in Form von Bleimineralen, vor allem als Galenit (Bleiglanz, PbS), finden.

Andere Beispiele sind Krokoit ( PBCrO₄) und Cerussit (PbCO₃). Während die anderen Elemente in der Gruppe eine diamantartige Modifikation aufweisen, ist dies bei Blei nicht der Fall, denn kovalente Blei-Blei-Bindungen sind instabil. So bildet Bleiwasserstoff auch keine Ketten aus.

Blei bildet neben kovalenten Bindungen in organischen Verbindungen wie z. B. Tetraethylblei (Pb(C₂H₅)₄) auch ionische Bindungen aus.

Verwendung von Blei

• In Legierungen
• als Strahlenschutz (z. B. Bleischürze bei Röntgenaufnahmen)
• als Bleiakkus in Autos
• als Bleigewichte z. B. beim Tauchen
• als Grundstoff für Geschosse.

Gewinnung der Elemente der Kohlenstoffgruppe

Vielen Vertreter dieser Gruppe sind selten in der Natur zu finden. Glücklicherweise lassen sich die Elemente auch industriell gewinnen.

Gewinnung von Kohlenstoff

Kohlenstoff in Form von Koks wird durch die thermische Zersetzung von Steinkohle unter Luftausschluss oder aus den Rückständen beim Raffinieren gewonnen. Dabei entsteht Kokereigas und Steinkohleteer, während sich die anderen Bestandteile verflüchtigen. Außerdem werden Graphit und Diamanten in Lagerstätten abgebaut.

Künstliches Graphit und Industriediamanten

Künstliches Graphit wird aus Koks hergestellt, der ein bis drei Wochen auf 2600–3000 °C unter Luftausschluss erhitzt wird. Dabei benutzt man Silicium als Katalysator. Auch Diamanten werden industriell hergestellt. Dafür wird Graphit bei hohem Druck (ca. 10 Gigapascal) in flüssigem Metall wie Eisen bei 1800 °C gelöst. Das Metall ist dabei ein Katalysator. Hierdurch entstehen Diamantkristalle mit einem Durchmesser von ca. 1,2 mm.

Gewinnung von Silicium

Für die Herstellung von Silicium wird Quarz (SiO₂) mit Kohlenstoff in einem elektrischen Ofen bei 2000 °C reduziert. Dabei erhält man das sogenannte Rohsilicium mit einer Reinheit von 98 bis 99 %:

Das Siemens-Verfahren

Für Solarzellen und Halbleiter wird Silicium mit einer höheren Reinheit (>99,9 %) beziehungsweise einer Verunreinigungskonzentration von weniger als einem Nanogramm pro Gramm Silicium benötigt.

Dafür wird das Rohsilicium mit dem Siemens-Verfahren zu Reinsilicium aufgereinigt. Als Erstes wird Silicium zu Trichlorsilan (HSiCl₃) umgesetzt. Dieses wird danach destilliert und wieder zu Silicium reduziert. So erhält man hochreines Silicium:

Zonenschmelze für monokristallines Silicium

Für die Verwendung in Halbleitern muss hochreines Silicium mittels Zonenschmelze weiter werden. Dafür wird ein kleiner Bereich am Ende eines Siliciumstabs aufgeschmolzen. Dieses Ende wird dann mit einem Impfkristall in Kontakt gebracht, an dem die Schmelze anwächst und erstarrt.

Der Impfkristall gibt die Kristallstruktur vor, sodass Silicium diese annimmt. Durch die Bewegung der Heizvorrichtung lässt man die Schmelzzone zum anderen Ende des Stabs wandern. Die Verunreinigungen verbleiben in der geschmolzenen Zone und bewegen sich so an ein Ende des Stabs. Dieses Ende wird anschließend abgesägt. Als Produkt erhält man einkristallines Reinstsilicium.

Abbildung 2: Das Zonenschmelzverfahren

Das Czochralski-Verfahren

Das Czochralski-Verfahren ist auch als Tiegelziehverfahren bekannt. Es ist eine Alternative zum Zonenschmelzverfahren. Hier wird polykristallines Silicium in einem Quarztiegel geschmolzen und im sogenannten Ostwald-Miers-Bereich von Silicium abgekühlt. Der Ostwald-Miers-Bereich ist der Temperaturbereich zwischen Schmelz- und Kristallisationspunkt (für Si: ca. 1410 °C). Anschließend wird ein Impfkristall in die Schmelze eingetaucht und langsam mit Rotation wieder herausgezogen. Dabei wächst ein monokristallines Silicium gleichmäßig auf dem Impfkristall an.

Siliciumgewinnung im Labormaßstab

Im Labor kann man Siliciumdioxid mit Magnesium oder Aluminium reduzieren und so Silicium gewinnen:

Gewinnung von Germanium

Germanium wird vor allem aus dem Flugstaub der Zinkaufbereitung gewonnen, wo Germanium als Germaniumdioxid (GeO₂) vorhanden ist. Dieser Flugstaub wird in Schwefelsäure gelöst. Nach der Neutralisation mit Natriumhydroxid (NaOH) fallen Germaniumdioxid und Zinkoxid aus. Diese werden mit Salzsäure (HCl) zu Metallchloriden umgesetzt:

Destillation

Germaniumtetrachlorid (GeCl₄) wird durch Destillation isoliert (Siedepunkt: 83,1 °C; Siedepunkt Zinkchlorid:

756 °C). Dann wird es durch die Hydrolyse zu Germaniumdioxid umgesetzt. Dieses reine Germaniumdioxid wird anschließend mit Wasserstoff zu Germanium reduziert:

Die weitere Aufreinigung zu Reinstgermanium für die Halbleiterindustrie kann mit dem Zonenschmelzverfahren erfolgen.

Gewinnung von Zinn

Für die Gewinnung von elementarem Zinn wird Kassiterit (Zinnstein) mit Kohlenstoff reduziert:

Gewinnung von Blei

Blei wird aus Bleiglanz mit dem Röstreduktionsprozess gewonnen. Als Erstes wird Bleiglanz geröstet. Dabei reagiert es bei etwa 1000 °C mit Sauerstoff und bildet flüssiges Bleioxid (PbO) und gasförmiges Schwefeldioxid (SO₂):

Das Bleioxid wird danach in einem Schachtofen mit Kohlenstoff zu Blei reduziert:

Reaktionen der Kohlenstoffgruppe

Wie du bereits gelernt hast, reagieren die Elemente der Kohlenstoffgruppe mit anderen chemischen Stoffen auf eine charakteristische Art und Weise.

Reaktionen mit Sauerstoff

Alle Elemente der Kohlenstoffgruppe können mit Sauerstoff Dioxide ausbilden. Dabei hat das jeweilige Element die Oxidationsstufe +4. Außerdem sind von allen Elementen auch Oxide mit der Oxidationsstufe +2 bekannt. Die Stabilität dieser Monooxidverbindungen nimmt von Kohlenstoff zu Blei zu, während die des Dioxids abnimmt.

Reaktionen mit Wasserstoff

Mit Wasserstoff reagieren die Elemente durch Energiezufuhr zu Carban, Monosilan, Monogerman, Stannan und Plumban. Auch langkettige Wasserstoffverbindungen werden durch die Elemente gebildet. Während es bei Kohlenwasserstoffen keine Begrenzung der Kettenlänge gibt, ist bei Silanen die Kettenlänge auf 15 Silicium-Siliciumbindungen, bei Germanen auf 9 Germanium-Germanium-Bindungen, bei Zinnwasserstoffen auf eine Zinn-Zinn-Bindung begrenzt. Blei kann keine Ketten bilden.

Reaktion mit Halogenen

Mit den Halogenen reagieren die Elemente der Kohlenstoffgruppe zu Halogeniden. Dabei bilden Kohlenstoff, Silicium und Germanium mit Chlor Tetrachloride, während bei Zinn zusätzlich Zinndichlorid ausgebildet werden kann. Blei bildet nur noch Bleidichlorid.