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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