Eigenschaften der Elemente der 14. Gruppe

14. GruppeC Si,Ge Sn,Pb

ns2np2

Zunahme von Dichte, Atomradius, metall. Charakter

Abnahme von Ionisierungsenergie, Elektronegativität

C – Diamant = Nichtmetall Graphit HalbleiterSi,Ge – HalbleiterSn,Pb – Metalle (-Sn!)

C_Kohlenstoff

Vorkommen:elementar (Diamant, Graphit)Carbonate CaCO3 Kalkstein

Marmor Kreide

MgCO3 Magnesit CaCO3.MgCO3 Dolomit

diverse „Spate“ErdölKohle (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)

p)H( C n N 11

146

10

147

(Neutron aus Höhenstrahlung)

e)( ß N C 01-

147

146

(Halbwertszeit: 5730 Jahre)

als 14CO2 in der Atmosphäre,14C : (12C+ 13C) 1 : 1012

entspricht 15,3 Zerfälle / min / g CRadiocarbon-Methode zur Altersbestimmung(nach W.F. Libby)maximal ca. 60.000 Jahre!

C_KohlenstoffModifikationen

Diamant

sp3-hybridisiert (Diamantgitter)hart (Mohshärte 10)durchsichtigIsolator = 3,51 g·cm-3

Graphit

sp2-hybridisiert (hex. Schichtgitter)weichundurchsichtig/schwarzrel. guter elektr. Leiter = 2,27 g·cm-3

C_KohlenstoffPhasendiagramm

C_Kohlenstoff

C60 Buckminsterfulleren

C60: 20 Sechsecke + 12 Fünfecke(d 700 pm)

„Fullerene“: C70, C84, C90, C94

C_KohlenstoffVerbindungen:

CO: isoelektronisch mit N2

farblos, geruchlos, brennbar;giftig ! (MAK: 30 ppm)

Darstellung:Technisch:1) „Generatorgas“

2C (Koks) + O2 (Luft) 2 CO (+ N2) exotherm2) „Wassergas“

C (Koks) + H2O CO + H2 endotherm3) Boudouard-Gleichgewicht

CO2 + C 2 CO endothermLabor:4) HCOOH H2O + CO

(Anhydrid der Ameisensäure!)

Verwendung:Reduktionsmittel; verschiedene Synthesen (Methanol,verschiedene Kohlenwasserstoffe, Ameisensäure, Phosgen (COCl2))

O - C O C OC ( ) ( )( + )( + )

C_KohlenstoffVerbindungen:

CO2:

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)2) „Kalkbrennen“

CaCO3 CaO + CO2 endothermLabor: (z.B. in einem Kippschen Apparat)3) CaCO3 + 2 HCl CaCl2 + H2O + CO2

Verwendung:Feuerlöscher; Lebensmittelindustrie (Sodawasser, Getränke mit „Kohlensäure“, Schockgefrieren, Kaltmahlen, ...)

O CO O C O OC O ( ) ( ) ( + )( + )

C_KohlenstoffVerbindungen:

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

4

32

31 1072,1

]COH[]HCO].[H[

K

7

322

31 1016,4

])COH[]CO([]HCO].[H['

K

O O 2 – C ...

O

Si_SiliciumWasserstoff-Verbindungen:

SinH2n+2, Silane: n 15wesentlich 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 SilicateGläser:unterkühlte Silicatschmelzen unregelmäßige Anordnung von SiO4-Tetraedern

WeichglasNa2CO3 + CaCO3 + SiO2 Glas

ca. 13 % Na2O, 12 % CaO, 75 % SiO2

Kali-Kalk-GlasK2O statt Na2O höhere Erweichungstemperatur

GerätegläserSiO2 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 + HClPbX2: 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: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