Eigenschaften der Elemente der 14. Gruppe

14. Gruppe C Si,Ge Sn,Pb ns2np2 Zunahme von Dichte, Atomradius, metall. Charakter Abnahme von Ionisierungsenergie, Elektronegativität C – Diamant = Nichtmetall Graphit  Halbleiter Si,Ge – Halbleiter Sn,Pb – Metalle (-Sn!)

C_Kohlenstoff Vorkommen: elementar (Diamant, Graphit) Carbonate CaCO3 Kalkstein Marmor Kreide MgCO3 Magnesit CaCO3.MgCO3 Dolomit diverse „Spate“ Erdöl Kohle (Anthrazit ~ 91 % C, Steinkohle ~ 85 % C, Braunkohle ~ 70 % C, ... ) CO2 (in Luft und Wasser) in tierischen und pflanzlichen Organismen

C_Kohlenstoff Isotope: 12C 98,89 % 13C 1,11 % 14C in Spuren (radioaktiv) (Neutron aus Höhenstrahlung) (Halbwertszeit: 5730 Jahre) als 14CO2 in der Atmosphäre, 14C : (12C+ 13C)  1 : 1012 entspricht 15,3 Zerfälle / min / g C Radiocarbon-Methode zur Altersbestimmung (nach W.F. Libby) maximal ca. 60.000 Jahre!

C_Kohlenstoff Modifikationen Diamant sp3-hybridisiert (Diamantgitter) hart (Mohshärte 10) durchsichtig Isolator  = 3,51 g·cm-3 Graphit sp2-hybridisiert (hex. Schichtgitter) weich undurchsichtig/schwarz rel. guter elektr. Leiter  = 2,27 g·cm-3

C_Kohlenstoff Phasendiagramm

C60 Buckminsterfulleren C_Kohlenstoff C60 Buckminsterfulleren C60: 20 Sechsecke + 12 Fünfecke (d  700 pm) „Fullerene“: C70, C84, C90, C94

C_Kohlenstoff Verbindungen: CO: Darstellung: Verwendung: isoelektronisch mit N2 farblos, geruchlos, brennbar; giftig ! (MAK: 30 ppm) Darstellung: Technisch: „Generatorgas“ 2C (Koks) + O2 (Luft)  2 CO (+ N2) exotherm „Wassergas“ C (Koks) + H2O  CO + H2 endotherm Boudouard-Gleichgewicht CO2 + C  2 CO endotherm Labor: HCOOH  H2O + CO (Anhydrid der Ameisensäure!) Verwendung: Reduktionsmittel; verschiedene Synthesen (Methanol, verschiedene Kohlenwasserstoffe, Ameisensäure, Phosgen (COCl2)) (  ) ( + ) ( + ) (  )

C_Kohlenstoff Verbindungen: CO2: Darstellung: Verwendung: farblos, geruchlos, nicht brennbar; hohe Wasserlöslichkeit (1,713 Liter CO2 pro Liter Wasser bei 0°C, 1 bar); sublimiert bei –78°C; „Trockeneis“ als Kühlmittel Darstellung: Technisch: 1) C + O2  CO2 exotherm (Verbrennung) „Kalkbrennen“ CaCO3  CaO + CO2 endotherm Labor: (z.B. in einem Kippschen Apparat) 3) CaCO3 + 2 HCl  CaCl2 + H2O + CO2 Verwendung: Feuerlöscher; Lebensmittelindustrie (Sodawasser, Getränke mit „Kohlensäure“, Schockgefrieren, Kaltmahlen, ...) ( + ) (  ) (  ) ( + )

C_Kohlenstoff Verbindungen: H2CO3 Kohlensäure: CO2 (aq) + H2O  H2CO3 (aq) (nur 0,1% als H2CO3) jedoch: Carbonate und Hydrogencarbonate planar, isoelektronisch mit NO2-, SO3 NaHCO3 schwer löslich Alkalicarbonate gut in H2O löslich O O 2 – C  ... O

Si_Silicium Wasserstoff-Verbindungen: SinH2n+2, Silane: n  15 wesentlich weniger stabil als Kohlenwasserstoffe, mit zunehmender Kettenlänge nimmt die Stabilität ab!  — Si — H umgekehrte Polarisierung wie bei  Kohlenwasserstoffen, dadurch nukleophiler Angriff an das Si-Atom erleichtert! außerdem: Si hat bereits d-Orbitale, erleichtert zusätzlich den Angriff, daher: SiH4 + 4 H2O  Si(OH)4 + 4 H2 Darstellung: z.B. Mg2Si + 4 HCl(aq)  2 MgCl2 + SiH4 + - OH-

Technische Silicate Gläser: Weichglas Kali-Kalk-Glas Gerätegläser unterkühlte Silicatschmelzen  unregelmäßige Anordnung von SiO4-Tetraedern Weichglas Na2CO3 + CaCO3 + SiO2  Glas ca. 13 % Na2O, 12 % CaO, 75 % SiO2 Kali-Kalk-Glas K2O statt Na2O  höhere Erweichungstemperatur Gerätegläser SiO2 teilweise durch Al2O3 und B2O3 ersetzt  noch höhere Erweichungstemperatur (Pyrex, Jenaer, Supremax, ...) Tonkeramik: Durch Brennen von Tonen (Schichtsilicate) Tongut (wasserdurchlässig) Tonzeug (dicht; z.B. Porzellan) Zement: durch Brennen von Gemischen aus CaCO3 + Ton bei etwa 1500°C  Portlandzement (Ca,Al-Silicate und –Aluminate); beim Abbinden mit Wasser  komplizierte Hydrate ca. 1000°C

Sn(II) und Pb(II)-Verbindungen Protolyse: M2+ + H2O  MOH+ + H+ KSn = 10-2 KPb = 10-8 Amphoterie: H+ Sn2+  Sn(OH)2  [Sn(OH)3]- „Stannat(II)“ OH- OH- („Bleihydroxyd“ löst sich nur in starken konz. Basen) SnCl2: aus Sn + HCl PbX2: alle schwerlöslich SnS, PbS: schwerlöslich; SnS bildet keine Thiosalze! Malerfarben: PbCrO4 = „Chromgelb“ PbCrO4.PbO = „Chromrot“ PbCO3.Pb(OH)2 = „Bleiweiß“

Sn(IV) und Pb(IV)-Verbindungen SnO2: praktisch unlöslich durch Schmelzen (!) mit NaOH lösliche Stannate PbO2: starkes Oxidationsmittel beim Erhitzen: PbO2  PbO + ½ O2 Pb3O4: „Mennige“, leuchtend rot +II +IV eig. Pb2PbO4 („Blei(II)-plumbat(IV)“) beim Erhitzen an Luft (ca. 500°C): PbO  Pb3O4 SnS2: bildet Thiosalze (Analytik!) SnS2 + Na2S  Na2SnS3

Bleiakkumulator Laden: Entladen: PbSO4 + 2 H + + 2 e - ———> Pb + H2SO4 PbSO4 + 2 H2O ———> PbO2 + H2SO4 + 2 H + + 2 e - 2 PbSO4 + 2 H2O ———> Pb + PbO2 + 2 H2SO4 Entladen: Pb + H2SO4 ———> PbSO4 + 2 H + + 2 e - PbO2 + H2SO4 + 2 H + + 2 e - ———> PbSO4 + 2 H2O Pb + PbO2 + 2 H2SO4 ———> 2 PbSO4 + 2 H2O