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Chemie der Nichtmetalle

7. Elemente der 4. Hauptgruppe (Tetrele): C, Si

7.1. Elemente

Übersicht

Die Elemente der IV. Hauptgruppe haben die Valenzelektronenkonfiguration s2p2, genauer für Kohlenstoff 2s2 2p2 und für Silicium 3s23p2. Die Elektronegativität von Kohlenstoff beträgt 2.5, alle anderen Elemente der Gruppe haben eine praktisch konstant Elektronegativität von ca. 1.8 (s. Tab. 7.1.1.). Wie in allen Gruppen zeigen sich zwischen dem ersten Element der Gruppe (C) und allen weiteren (Si bis Pb) ungewöhnliche Eigenschaftsänderung, die aus die Elektronegativitätsunterschiede und die Doppelbindungsbildung zurückgeführt werden können. Bemerkenswert ist auch, dass beim Kohlenstoff der Abstand zwischen dem 2s- und dem 2p-Zustand mit 4 eV nochmals deutlich geringer ist als bei Stickstoff (Möglichkeit der Beschreibung der Bindung mittels Hybridisierung). Die geringeren Unterschiede zwischen Silicium und Germanium sind dagegen auf die d-Block-Kontraktion zurückzuführen. Innerhalb der Gruppe liegt der Übergang zwischen den Nichtmetallen und den Nichtmetallen, die mittleren Elemente Silicium und Germanium sind typische Halbleiter. Hier soll auf den Kohlenstoff nur insoweit eingegangen werden, als er nicht von der organischen Chemie betrachtet wird, d.h. behandelt werden nur: Die Tabelle 7.1.1. gibt einen Überblick über die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff (inkl. seiner polymorphen Formen) und Silicium.

C (Graphit) C (Diamant) C60 Si
EN 2.5 1.7
IE [eV] 11.3 8.1
Farbe schwarz glänzend farblos dunkelrot glänzend metallisch glänzend
Härte nach Mohs < 1 10
dX-X [pm] 141.5 / 335.4 154.5 141 234
Schmelzpunkt [oC] 3550 400 (subl.) 1410
elektr. Widerstand [Ωcm] 2 . 10-4 (parallel zu den Schichten) 1015 50
0.2 -1 (senkrecht zu den Schichten)
Bandlücke [eV] 0 5.80 1.17
ΔHVerbrennung [kJ/mol] 393.5 580 395.4
ΔHB [kJ/mol] 0.0 1.9 38 0

Tab. 7.1.1. Elementeigenschaften von C und Si

Verbindungsbildung

Vorkommen

Strukturen

Nach der 8-N-Regel sind die Elemente der IV. Hauptgruppe in kovalenten Verbindungen 4-bindig. Aufgrund der VSEPR-Regeln bzw. der Hybridisierung bilden sich Raumnetze (Diamant-Struktur). Nur wenn, wie beim Kohlenstoff, zusätzlich Doppelbindungen ausgebildet werden können, sind auch niederdimensionalere Bauverbände (Schichten wie im Graphit, Ketten wie in den Nanorörchen oder Moleküle wie in den Fullerenen) als Strukturelemente möglich.

Kohlenstoff bildet verschiedene Modifikationen. Graphit ist dabei, wie das Phasendiagramm in Abbildung 7.1.1. erkennbar, die bei Normalbedingungen stabile Form, Diamant ist die Hochdruckform, allerdings bekanntermassen bei Raumtemperatur metastabil beständig. Alle anderen Modifikationen sind bei allen Temperaturen und Drücken metastabil.

Abb. 7.1.1. p-T-Diagramm von Kohlenstoff SVG
Weitere Details zur Strukturchemie der Tetrele finden sich im Kap. 2.2.5. der Vorlesung Anorganische Strukturchemie. Je nach Modifikation unterschiedlich:

Physikalische Eigenschaften

Abb. 7.1.3. Silicium-Zuchtkörper (Ende!)

Chemische Eigenschaften

Darstellung

Verwendung (Zusammenfassung)

VRMLs

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