Periodensystem

Graphit: H. Zell, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons; Diamant: Pixabay License/

Auf den beiden Bildern (Abb. 1) siehst du Graphit und einen Diamanten. Graphit ist der Stoff, der im Bleistift zum Schreiben verwendet wird. Anders als der Name eigentlich vermuten lässt, wird kein giftiges Blei mehr in den Stiften verwendet, sondern harmloses Graphit. Diamanten sind beliebt im Schmuck.

Weißt du, was Graphit und Diamant gemeinsam haben?

Auf jeden Fall ist es nicht ihr Aussehen, aber sie bestehen beide aus Kohlenstoff. Unvorstellbar oder? Die Kohlenstoffatome von Graphit und Diamant sind nur unterschiedlich miteinander verbunden. Erstaunlich, dass aus den gleichen Atomen solch unterschiedliche Stoffe entstehen können. Das ist aber nicht alles. Auf der Erde gibt es über 10 Millionen Verbindungen, die Kohlenstoffatome enthalten – in Pflanzen, Lebewesen, Kohle, Erdöl, Erdgas, Kalk, Kunststoffen usw.

Kohlenstoff ist nur ein Element, welches Teil der 4. Hauptgruppe im Periodensystem ist. Es gibt noch Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Auch diese Elemente findest du als Verbindungen in vielen Stoffen deiner Umwelt. Das Element Germanium hat Mendelev schon beschrieben, als es noch gar nicht entdeckt war.

Entdecke in diesem Artikel, warum die 4. Hauptgruppe so wichtig für uns ist.

Eigenschaften

Alle Elemente der 4. Hauptgruppe besitzen vier Außenelektronen, wenn du dir ihre Atommodelle anschaust. Das heißt, dass sie entweder vier Elektronen aufnehmen oder abgeben müssen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die Edelgaskonfiguration können sie erreichen, wenn sie Verbindungen eingehen.

Interessant ist doch, dass auch wenn alle Elemente der 4. Hauptgruppe jeweils vier Außenelektronen besitzen, sie trotzdem in ihren Eigenschaften so unterschiedlich sind. Mit der steigenden Ordnungszahl (im Periodensystem von oben nach unten) nimmt der metallische Charakter zu:

• Kohlenstoff ist ein Nichtmetall.
• Silicium und Germanium sind Halbmetalle.
• Zinn und Blei sind Metalle.

Der nichtmetallische bzw. metallische Charakter ergibt sich jeweils daraus, wie leicht die Elemente Elektronen abgeben oder aufnehmen. Weil die Elektronen von Kohlenstoff und Silicium näher am Atomkern liegen, werden sie stärker angezogen und weniger leicht abgegeben. Kohlenstoff und Silicium gehen daher Atombindungen ein. Zinn und Blei geben leichter ihre Außenelektronen ab und gehen daher Ionenverbindungen ein.

Weil die Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe so unterschiedlich sind, findest du hier genauere Informationen zu den Eigenschaften ausgewählter Elemente:

Kohlenstoff

• Diamant ist der härteste Stoff der Welt. Diese Eigenschaft resultiert daraus, dass die Atome des Kohlenstoffs eng miteinander verbunden sind. Beim Graphit sind die Atome nicht so eng miteinander verbunden. Daher ist dieser Stoff nicht so hart. Wegen der unterschiedlichen Härte werden Diamanten für Diamantbohrer und Graphit wird zum Schreiben in Bleistiften verwendet.
• Graphit leitet den elektrischen Strom. Deswegen kann Graphit auch in der Elektrochemie als Elektrode eingesetzt werden. Diamanten leiten den Strom allerdings nicht.
• Kohlenstoff-Atome bilden zahlreiche Molekülketten und –ringe.

Silicium

• Silicium ist ein dunkelgrauer, glänzender, harter und spröder Feststoff.
• Es leitet keinen elektrischen Strom. Bei erhöhter Temperatur ist Silicium allerdings ein Halbleiter und deswegen so wichtig für die Technikindustrie.

Blei

• Blei ist ein blaugraues und weiches Schwermetall.
• Normalerweise ist es glänzend, aber bildet durch den Sauerstoff in der Luft eine dünne Schicht aus Bleioxid an der Oberfläche. Deswegen sieht es immer matt aus.
• Mit Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, die in Wasser gelöst sind, geht Blei mit der Zeit wasserlösliche Verbindungen ein. Diese sind ungesund für den Menschen. Deswegen werden schon seit langem keine Trinkwasserleitungen mehr aus Blei verwendet.

Vorkommen

Kohlenstoff, Silicium, Zinn und Blei kommen in der Natur elementar vor. Wie oben beschrieben bestehen Graphit und Diamant zum Beispiel nur aus Kohlenstoff-Atomen, die miteinander in Verbindung stehen. Aber auch mit anderen Elementen gehen sie Verbindungen ein, die in der Natur vorkommen. Die Oxide der Elemente der 4. Hauptgruppe bestehen beispielsweise aus Verbindungen mit Sauerstoff (z.B. Kohlenstoffdioxid ($\ce{CO2}$). Zudem gibt es lange Molekülketten mit Wasserstoff. Davon gibt es unzählige Varianten von Verbindungen, in denen auch noch Atome anderer Elemente gebunden sein können und ohne die es kein Leben auf dieser Erde gäbe (z.B. Zucker (Glucose) ($\ce{C6H12O6}$)).

Deine Umwelt besteht zu etwa einem Drittel aus Elementen der 4. Hauptgruppe. Davon sind 99,8% Silicium, welches nach Sauerstoff das zweithäufigste Element ist. Die übrigen 0,2% sind fast komplett Kohlenstoff. Alles Leben dieser Erde basiert auf Kohlenstoffverbindungen. Nach Kohlenstoff folgen kleine Teile von Blei, Zinn und Germanium.

Herstellung

Reiner Kohlenstoff lässt sich durch thermische Zersetzung aus Kohle, Erdöl oder Erdgas gewinnen. Silicium wird durch Reduktion von Siliciumoxid mithilfe von Magnesiumpulver gewonnen. Zinn und Blei kommen in Erzen vor, aus denen die Elemente durch Reduktion oder Elektrolyse gewonnen werden.