vierte Hauptgruppe

Eigenschaften und Verwendung

Die wichtigsten Kohlenstoffmodifikationen sind Grafit und Diamant.
Grafit ist ein schwarzer, weicher, fettig glänzender Feststoff, der Wärme und elektrischen Strom leitet. Diese Eigenschaften lassen sich durch die Bindungsverhältnisse erklären. Beim Grafit ist jedes Kohlenstoffatom an nur drei andere gebunden, wodurch Schichten entstehen, in denen Sechsringe aus Kohlenstoffatomen bienenwabenartig angeordnet sind. Weil pro Atom nur drei Bindungen gebildet werden, verbleibt an jedem Kohlenstoffatom ein freies Elektron. Diese Elektronen sind innerhalb der Schichten frei beweglich und verbinden die Schichten locker miteinander. Diese Art der Bindung liefert eine Erklärung für die Eigenschaften von Grafit.

Weil ein Teil der Elektronen frei beweglich ist, weist Grafit parallel zu den Schichten eine gute elektrische Leitfähigkeit auf und wird als Elektrodenmaterial verwendet.
Da die Schichten, aus denen Grafit besteht, nicht fest miteinander verbunden sind, sind sie leicht gegeneinander zu verschieben. Daraus resultiert die Verwendung von Grafit als hochtemperaturfestes Schmiermittel. Weil die Schichten außerdem leicht abgerieben werden, wurde Grafit in Bleistiften verwendet, die daher richtiger „Grafitstifte“ heißen müssten.
Grafit kommt auch in anderen Formen vor, in denen die Schichten nicht so regelmäßig angeordnet sind. Eine dieser Formen ist Ruß , der bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht.

Ruß wird insbesondere in der Autoreifenindustrie als Füllstoff verwendet, außerdem ist er ein wichtiges Schwarzpigment in Farben und Lacken.
Eine weitere Form von Grafit ist Aktivkohle , die aus feinen Grafitkristallen besteht und eine große spezifische Oberfläche aufweist. Aufgrund ihres hohen Absorptionsvermögens wird sie in Gasmasken eingesetzt und zur Entfernung von Verunreinigungen aus Lösungen verwendet, beispielsweise in der Wasseraufbereitung oder zur Entfärbung von Rohrzuckerlösungen.

1991 wurden die Fullerene entdeckt, eine weitere Modifikation des Kohlenstoffes, bei denen die C-Atome in Fünf- und Sechsringen kugelförmig als ${\text{C}}_{\text{60}}\text{-}{\text{, C}}_{\text{70}}\text{-}{\text{, C}}_{\text{76}}\text{-}$Moleküle („Fußbälle“) vorliegen.

Kohlenstoff ist als Grafit reaktionsträge und als Diamant noch mehr. Er reagiert erst bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff, mit Sauerstoff oder Wasserdampf. Direkt reagiert er bei Raumtemperatur nur mit dem äußerst reaktiven Fluor.

Germanium ist ein grauweißer, sehr spröder Feststoff, der als Halbleiter elektrische Leitfähigkeit aufweist. Chemisch gesehen ist es in seinen Eigenschaften dem Silicium sehr ähnlich, und ebenso wie dieses wird es als Halbleiter verwendet.

Von Zinn gibt es eine metallische und eine nichtmetallische Modifikation. Das metallische beta-Zinn ist bei Temperaturen oberhalb von 13 °C die stabilere Modifikation und wandelt sich unterhalb dieser Temperatur – allerdings sehr langsam – in das pulvrige halbmetallische alpha-Zinn um. Wird metallisches Zinn über längere Zeit zu kalt gelagert, so bilden sich Kristallkeime von alpha-Zinn, von denen aus die Umwandlung schneller voranschreitet, weshalb dieses Phänomen auch als „Zinnpest“ bezeichnet wird.
Verwendet wird Zinn schon seit langer Zeit. Von großer Bedeutung ist Bronze , eine Zinn-Kupfer-Legierung, die seit ca. 3 500 v. Chr. verwendet wird. Auch heute spielt Zinn als Legierungsbestandteil eine wichtige Rolle. Außerdem wird Eisenblech verzinnt, um es vor Korrosion zu schützen (Weißblech).

Vorkommen und Gewinnung

Kohlenstoff kommt in der Natur elementar in den beiden Modifikationen Grafit und Diamant vor. Die Hauptmenge findet sich jedoch in gebundener Form, hauptsächlich als Calciumcarbonat $CaC{O}_3$ in Kalkstein, Marmor und Kreide, als Magnesium-Calcium-Carbonat ${\text{MgCO}}_{\text{3}}·CaC{O}_3$ (Dolomit), als Magnesiumcarbonat ${\text{MgCO}}_{\text{3}}$ (Magnesit) und als Eisencarbonat ${\text{FeCO}}_{\text{3}}$ (Siderit).
Kohlenstoff kommt in gebundener Form außerdem in allen Organismen vor – alles Leben auf der Erde basiert auf Kohlenstoffverbindungen. In geringer Menge (0,04 %) ist Kohlenstoffdioxid ${\text{CO}}_{\text{2}}$ in der Atmosphäre vorhanden.
Reiner Kohlenstoff lässt sich durch thermische Zersetzung von Kohle, Erdöl oder Erdgas gewinnen.

Das seltene Germanium kommt nur in wenigen Mineralien angereichert vor. Enthalten ist Germanium z. B. im Argyrodit (${\text{4 Ag}}_{\text{2}}\text{S}·{\text{GeS}}_{\text{2}}$), in dem es 1886 von CLEMENS WINKLER entdeckt wurde. Als Ausgangsmaterial für die Gewinnung von elementarem Germanium wird Germanit ${\text{Cu}}_{\text{6}}{\text{FeGe}}_{\text{2}}{\text{S}}_{\text{8}}$ verwendet. Die Herstellung von Germanium verläuft ebenfalls über mehrere Stufen. Germanium ist wie Silicium ein Halbleiter und wurde früher für elektronische Bauelemente verwendet. Bei etwas höherer Temperatur verschlechtern sich aber die Eigenschaften der Bauelemente infolge der zunehmenden Leitfähigkeit des Germaniums. Das ist bei Silicium nicht in dem Umfang der Fall, sodass Germanium nur noch für spezielle Anwendungen eingesetzt wird.

Zinn kommt überwiegend als Oxid ${\text{SnO}}_{\text{2}}$ (Zinnstein) vor.
Elementares Zinn wird durch Reduktion von Zinnstein mit Kohlenstoff gewonnen.

${\text{SnO}}_{\text{2}}\text{+}\text{2 C}\stackrel{}{\to }\text{Sn}\text{+}\text{2 CO}$

Außerdem lässt sich Zinn elektrolytisch beim Recycling von verzinntem Eisenblech (Weißblech) gewinnen.

Blei kommt in der Natur hauptsächlich als Sulfid PbS (Bleiglanz) vor. Zur Gewinnung von elementarem Blei wird Bleiglanz geröstet und in das Oxid überführt. Aus dem Oxid wird durch Reduktion mit Kohlenstoff Blei gewonnen.

$\begin{array}{l}\text{2 PbS }\text{ +}{\text{ 3 O}}_{\text{2}}\stackrel{}{\to }\text{2 PbO }\text{+}{\text{2 SO}}_{\text{2}}\text{ (Röstprozess)}\\ \text{PbO }\text{ + }\text{ C }\stackrel{}{\to }\text{Pb }\text{+ CO }\text{(Reduktionsprozess)}\end{array}$

Wichtige Verbindungen

Wichtige anorganische Verbindungen des Kohlenstoffs

Die beiden Oxide des Kohlenstoffs, Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid, sind gasförmig. Sie sind Molekülverbindungen: In beiden Oxiden bestehen polare Atombindungen zwischen Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen.

Kohlenstoffmonooxid CO entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoff (z. B. bei Schwelbränden). An der Luft verbrennt es mit typischer blauer Flamme zu Kohlenstoffdioxid. Weil es selbst leicht oxidierbar ist, wird es als Reduktionsmittel beispielsweise im Hochofenprozess zur Eisengewinnung verwendet.

$\text{FeO}\text{+}\text{CO}\stackrel{}{\to }F\text{e}\text{+}{\text{CO}}_{\text{2}}$

Kohlenstoffmonooxid ist für den Menschen hochgiftig, weil es beim Einatmen eine feste Bindung mit Hämoglobin eingeht, das Sauerstoff im Blut transportiert. Hämoglobin wird auf diese Weise blockiert und somit der Sauerstofftransport im Blut verhindert.

Kohlenstoffdioxid entsteht bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenstoff. Es ist ein sehr reaktionsträges Gas, das nicht brennt und die Verbrennung nicht unterhält. Es wird daher in Feuerlöschern verwendet.
Festes Kohlenstoffdioxid wird auch „Trockeneis“ genannt, es sublimiert bei -78 °C und wird als Kältemittel verwendet.

Wichtige Verbindungen des Siliciums

Siliciumdioxid ist wie Kohlenstoffdioxid eine Molekülverbindung, bei der polare Atombindungen zwischen den Atomen vorliegen. Im Gegensatz zum gasförmigen Kohlenstoffdioxid mit Doppelbindungen zwischen Kohlenstoff und den beiden Sauerstoffatomen ist es jedoch ein harter, kristalliner Feststoff. Im Kristall ist jedes Siliciumatom tetraedrisch von vier Sauerstoffatomen umgeben. Es entsteht ein regelmäßiges Gitter, in dem Silicium- und Sauerstoffatome im Verhältnis von 1:2 vorliegen, wie die Summenformel ${\text{SiO}}_{\text{2}}$ zeigt.
Siliciumdioxid kommt in der Natur hauptsächlich als Quarz vor. Viele bekannte Schmucksteine sind Abarten von Quarz, beispielsweise Bergkristall, Amethyst, Rosenquarz und Tigerauge. Auch andere Halbedelsteine wie Carneol, Achat und Opal bestehen aus Siliciumdioxid.

Schmilzt man Siliciumdioxid und lässt die Schmelze schnell erstarren, so erhält man Quarzglas , das chemisch widerstandsfähig und hochschmelzend ist und zum Bau von Laborgeräten verwendet wird. Zur Herstellung von Gläsern für den alltäglichen Gebrauch werden der Schmelze weitere Oxide wie Natriumoxid, Calciumoxid oder Kaliumoxid zugesetzt.

Siliciumdioxid löst sich in Natronlauge unter Bildung von Silicaten. Beim Ansäuern der Lösung erhält man die zugehörige Säure, die Kieselsäure ${\text{H}}_{\text{4}}{\text{SiO}}_{\text{4}}$, bei der das Siliciumatom tetraedrisch von vier OH-Gruppen umgeben ist. Sie ist einige Zeit in sehr verdünnter wässriger Lösung stabil. Unter Wasserabspaltung kondensiert Kieselsäure zu Oligo- bzw. Polysilicaten. Je nach Vernetzungsgrad unterscheidet man verschiedene Silicate , z. B. Kettensilicate, zu denen u. a. Asbest gehört, Schichtsilicate wie Talk und Kaolinit (Porzellanerde) und Gerüstsilicate, z. B. Feldspate und Zeolithe. Die Struktur der dreidimensional vernetzten Kieselsäure entspricht der von Siliciumdioxid. Die unterschiedlichen Silicate stellen den Hauptbestandteil der Erdkruste dar.

Silicate sind als Baustoffe von großer Bedeutung, sie sind beispielsweise Rohstoffe zur Herstellung von Zement, Keramiken und Porzellan. Kieselgele (kondensierte Silicate) haben ein ähnlich gutes Adsorptionsvermögen wie Aktivkohle und dienen der Reinigung von Gasen und Flüssigkeiten.