IV. Hauptgruppe – Überblick

IV. Hauptgruppe – Überblick Übung

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.