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IV. Hauptgruppe – Überblick 06:39 min

Textversion des Videos

Transkript IV. Hauptgruppe – Überblick

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video befassen wir uns mit Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Es geht um die Kohlenstoffgruppe. Das ist die IV. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Wir wollen uns in diesem Video einen Überblick verschaffen. Zuerst möchte ich etwas über die Namen und deren Herkunft erzählen. Der Name für Kohlenstoff wurde latinisiert, er heißt carboneum. Seinen Ursprung hat er im lateinischen Wort carbo, das heißt Holzkohle. Der Name Silicium, im gemeinen Sprachgebrauch auch mit z geschrieben, entstammt den lateinischen Wörtern silica, Kieselerde oder silex, Kieselstein. Der Ursprung des Namens Germanium ist klar, oder nicht? Richtig, Deutschland. Zinn heißt auf lateinisch stannum. Dieses Wort verwendeten schon die Römer. Blei heißt auf lateinisch plumbum. Man findet das Wort abgewandelt im Englischen, plumber, der Klempner. Jetzt ein Brainstorming. Welche drei Stichwörter fallen mir zu dem jeweiligen Element ein? Kohlenstoff: C, Diamant, Graphit, organische Chemie. Silicium: Si, Sand, Halbleiter, Personal Computer. Germanium: Ge, Periodensystem der Elemente, Eka-Silizium (von Mendeleev vorausgesagt) und Clemens Winkler, der Entdecker. Zinn: Sn, Bronze, niedrig schmelzend, weich. Blei: Pb, schwer, Radioaktivität schützt vor Strahlung, giftig. Wie ändert sich der Metallcharakter innerhalb der Hauptgruppe? Kohlenstoff ist als Diamant ein typisches Nichtmetall. Graphit hingegen besitzt metallische Eigenschaften. Silicium ist wohl eher ein Nichtmetall. Ich sage nur elektrische Leitfähigkeit. Germanium ist ein Halbmetall. Zinn ist ein Metall. Auch Blei ist ein typisches Metall. Der Metallcharakter nimmt in der IV. Hauptgruppe von oben nach unten zu. Betrachten wir nun die Schmelztemperaturen in °C. Kohlenstoff, C. Graphit hat die höchste Schmelztemperatur aller chemischen Elemente: 3600°C. Silicium schmilzt schon erheblich niedriger, bei 1400°C. Germanium hat eine Schmelztemperatur von 900°C. Zinn ist niedrigschmelzend, bereits bei 200°C. Blei schmilzt bei etwa 300°C. Ich habe die Schmelztemperaturen auf volle Hunderter gerundet. Die Tendenz in den Schmelztemperaturen zeigt einen starken Abfall von oben nach unten innerhalb der Hauptgruppe. Blei stellt gewissermaßen eine kleine Ausnahme dar.  Betrachten wir nun die Härte nach Mohs auf der Skala von 0 bis 10. Kohlenstoff ist der härteste aller bekannten Stoffe in Form des Diamanten; Härte 10. Graphit hingegen ist sehr weich; Härte 0,5. Silicium ist bedeutend weicher als Diamant; Härte 6,5. Germanium ist etwas weicher; Härte 6. Zinn und Blei sind weiche Metalle, sie haben jeweils die Härte 1,5. Es zeichnet sich eine klare Tendenz in der Härte ab: von oben nach unten nimmt sie in der IV. Hauptgruppe ab. Wenn wir sagen, ein Stoff ist schwer, so meinen wir damit die Dichte in g/cm³. Für den Kohlenstoff haben wir 2 Werte: 2,3 (Graphit) und 3,5 (Diamant). Silicium: 2,3. Germanium ist schon erheblich schwerer: 5,3. Eine noch höhere Dichte hat Zinn: 7,3. Am schwersten hingegen ist Blei: 11,3. Es ist zu erkennen, dass die Dichte von oben nach unten stark zunimmt. Und nun noch die elektrische Leitfähigkeit, die ich nur qualitativ betrachten möchte. Minus heißt schlecht und Plus heißt gut. Der Diamant leitet den elektrischen Strom praktisch nicht. Relativ gute elektrische Leitfähigkeit zeigt der Graphit: Plus. Silicium leitet schlecht. Im Vergleich dazu leitet Germanium den elektrischen Strom besser, es ist aber noch kein Leiter, daher setze ich das Plus in eine Klammer. Zinn und Blei sind typische elektrische Leiter. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt also von oben nach unten zu. Das ist die gleiche Tendenz wie beim metallischen Charakter. Alles Gute und auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. Ich möchte diese perspektivlose Diskussion nicht wieder aufnehmen. Von der Farbe wurde es als solches gekennzeichnet. Es gibt auch Quellen, die von Nichtmetall sprechen.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor mehr als 2 Jahren
  2. Silizium ist ein Halbmetall

    Von Zau, vor mehr als 2 Jahren

IV. Hauptgruppe – Überblick Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video IV. Hauptgruppe – Überblick kannst du es wiederholen und üben.

  • Bestimme den Metallcharakter der Elemente der Kohlenstoffgruppe.

    Tipps

    Versuche, dir das Aussehen des Elements vorzustellen.

    Bedenke, dass du mit dem Element, das den höchsten Metallcharakter besitzt, beginnst.

    Lösung

    Der Metallcharakter nimmt von Blei über Zinn und Germanium sowie Silicium zu Kohlenstoff (in der Diamantform) ab. Dieser Trend beruht, vereinfacht gesagt, auf der abnehmenden Größe der Elemente in dieser Reihe. Daraus folgt eine sich ändernde Bindungsart, wobei der Anteil der sogenannten Metallbindung mehr und mehr zunimmt.

  • Beschreibe die Elemente der vierten Hauptgruppe durch die gegebenen Begriffe.

    Tipps

    Kohlenstoff besitzt zwei Erscheinungsformen. Die eine ist transparent, die andere ist schwarz.

    Erinnere dich an das Gewicht der Schürzen, die du beim Röntgen umgelegt bekommst.

    Lösung

    Diamant und Graphit sind Modifikationen des Nichtmetalls Kohlenstoff.
    Sand und auch das alltagsgebräuchliche Glas bestehen aus Siliciumdioxid ($SiO_2$). Silicium ist ein Halbleiter, leitet also den elektrischen Strom nur unter bestimmten Bedingungen; es wird auch als Halbmetall bezeichnet.
    Blei ist ein schweres, giftiges Element und schützt vor gefährlicher radioaktiver Strahlung.
    Bronze ist eine Legierung aus den zwei Metallen Kupfer und Zinn. Zinn ist sehr weich, da es weit unten im Periodensystem steht und somit einen niedrigen Schmelzpunkt besitzt.

  • Nenne die richtigen Trends in der Kohlenstoffgruppe.

    Tipps

    Denke daran, welche Reihenfolge du betrachtest: von oben nach unten oder umgekehrt.

    Metalle haben eine hohe Dichte und sind gute Leiter.

    Lösung

    Innerhalb der Kohlenstoffgruppe, den sogenannten Tetrelen, nimmt der Schmelzpunkt und die Mohshärte von oben nach unten ab. Erklären lässt sich dieser Zusammenhang mit der Größe der Atome und dem sich folglich ändernden Zusammenhalt, der zwischen den Atomen möglich ist.

    Die elektrische Leitfähigkeit und die Dichte hingegen verhalten sich proportional, also gleichmäßig, zum Metallcharakter. Nimmt der Metallcharakter von oben nach unten zu, so nimmt auch die Leitfähigkeit und die Dichte zu. Das beruht auf der zunehmenden Bindungsart, der Metallbindung, bei der freibewegliche Elektronen vorhanden sind und zu einer erhöhten Leitfähigkeit führen. Diese beweglichen Elektronen wirken wie eine Art Klebstoff zwischen den Metall-Kationen, weswegen Metalle eine hohe Dichte besitzen.

  • Ermittle die Reaktionsgleichungen der einzelnen Verbindungen.

    Tipps

    Welche Farbe hat Bronze? Kannst du dir die fehlende Komponente erschließen?

    Die gegebenen Stoffe in den Gleichungen geben dir Aufschluss über die anderen Reaktionspartner.

    Lösung

    Bei Siliciumdioxid handelt es sich um den allseits bekannten Sand aus dem Urlaub. Dennoch muss man diesen Stoff aufreinigen, um ihn für bestimmte Bereiche, wie die Glasherstellung, verwenden zu können. Die Elemente der Kohlenstoffgruppe haben eine besonders stabile Oxidationsstufe, nämlich $+IV$. In dieser Stufe haben sie den gewünschten Edelgaszustand erreicht. Daher benötigt man $4$ Halogenatome für z.B. ein Silicium Atom.
    Bei der Synthese einer Legierung verändern sich die eingesetzten Materialien nicht. Es handelt sich nur um eine Verbindung gemischter Zusammensetzung.
    Die Herstellung vieler Metalle und Halbmetalle, wie auch Germanium, verläuft über die entsprechenden Halogenide, welche meist Flüssigkeiten sind. Die Halogene sind anschließend wieder sehr leicht zu entfernen und man erhält ein hochreines Produkt.

  • Erläutere den Grund für den Trend der Schmelztemperatur.

    Tipps

    Versuche, dir ein Bild von den größer werdenden Atomen zu malen.

    Zwischen welchen Teilchen findet eine Anziehung statt?

    Lösung

    Das Verhalten der Schmelztemperaturen der Elemente sowie andere Eigenschaften lassen sich oft mit dem Aufbau des jeweiligen Elements auf atomarer Ebene erklären.

    Um einen hohen Schmelzpunkt zu erhalten, muss die Anziehung zwischen den Protonen des einen Atoms und den Elektronen des anderen Atoms hoch sein. Ist nun jedoch die Elektronenhülle zu groß, dann spürt das andere Atom kaum eine Anziehungskraft von anderen Atomen, wodurch der Zusammenhalt zwischen den Atomen des Elements abnimmt. Das Resultat ist ein sinkender Schmelzpunkt.

  • Bestimme die Eigenschaften, die auf alle Metalle zutreffen.

    Tipps

    Welche Teilchen wandern in elektrischen Leitern?

    Hier siehst du die Bindungart in einem Metall.

    Lösung

    Die elektrische Leitfähigkeit und Verformbarkeit von Metallen beruht auf der Bindungsart, der Metallbindung. Sie besteht aus dicht aneinander liegenden Metall-Kationen, welche sich aufgrund des dazwischen liegenden Elektronengases nicht abstoßen. Die Metall-Atome haben also einen festen Platz und haben ihre Elektronen abgegeben, wodurch sich diese frei im Zwischenraum, durch das Metall, bewegen können.

    Bei Leitfähigkeit wandern diese Elektronen zu dem entsprechenden Pluspol und bei Verformung hält das bewegliche Elektronengas trotz Verschiebung der Metall-Kationen alles zusammen.

    Kühlt man ein Metall stark ab, zum Beispiel mit flüssigen Stickstoff, welcher einer Temperatur von ca. $-196°C$ besitzt, so kann man das Metall danach auf den Boden werfen und es zerbricht wie Glas. Dieser Effekt beruht darauf, dass die Bewegung im Metall stark reduziert wurde und eine Verformung bewirkt, dass die Metall-Kationen nebeneinander liegen, wodurch es zu einer Abstoßung und somit zum Bruch des Metalls kommt.