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Reihe der Kohlenstoffgruppe (4. Hauptgruppe) Kohlenstoffgruppe (4. Hauptgruppe) Silizium

Kohlenstoff

Vorkommen

Kohlenstoff kommt in der Natur fast überall vor. Die größten vorkommen sind in Carbonaten z.B.

$\begin{displaymath}CaCO_{3}\end{displaymath}$

Vom Kohlenstoff gibt es zwei polymorphe Modifikationen Graphit und Diamant. Dabei ist die Graphitmodifikation die unter Normalbedingungen stabilste Modifikation. Diamant entsteht, wenn man Graphit unter Druck setzt.

Im Graphit sind die Kohlenstoffatome $sp^{2}$ -hybridisiert. Deshalb ist Graphit aus Schichten aufgebaut. Jedes Kohlenstoffatom hat drei Kohlenstoffbindungspartner. Ein einzelnes p-Elektron bleibt an jedem C-Atom frei. 6 C Atome bilden im Graphit einen Ring. Mit dem freien Elektron bildet jedes C-Atom zu einem seiner Nachbarn eine weitere $\pi$ -Bindung, so daß eine Doppelbindung vorhanden ist. Die Elektronen sind praktisch über das ganze Makromolekül delokalisiert, da zwischen drei mesomeren Grenzformeln gewechselt wird. :

$\includegraphics*{graphit.eps}$

Im Diamant sind die C-Atome $sp^{3}$ -hybridisiert und tetraedisch von 4 anderen C-Atomen umgeben. Da keine freien Elektronen vorhanden sind, leitet Diamant den Strom nicht.

Allotrope Modifikationen

Kohlenstoff kommt auch in allotropher Modifikation vor, den Fullerenen. Das stabilste unter ihnen ist das $C_{60}$ -Molekül, es besteht aus 20 6-Ecken und 12 5-Ecken, genau wie ein Fußball. Es gibt noch viele andere Fullerene, die andere Anzahlen an Kohlenstoffatomen haben². Hier das $C_{60}$ -Molekül:

$^{14}C$ -Altersbestimmung

Durch kosmische Strahlung wird in der höheren Athmosphäre der Kohlenstoff des $CO_{2}$ zu dem radioaktiven Kohlenstoff $^{14}C$ aktiviert. Die Halbwertszeit dieses Kohlenstoffs beträgt 5730 Jahre. Nun wird dieser Kohlenstoff in die Pflanzen und Tiere eingebaut. Lebende Pflanzen und Tiere nehmen immer wieder neu diesen Kohlenstoff auf, so daß die Konzentration dieses Kohlenstoffs in ihnen gleich bleibt. Sterben sie jedoch ab, so sinkt die Konzentration an $^{14}C$ in ihnen. Mit Hilfe der Restkonzentration läßt sich das Alter der abgestorbenen organischen Materialien in Fossilien bestimmen.

Diese Methode setzt voraus, dass immer die gleiche kosmische Strahlung auf die Erde gestrahlt worden ist, sowie auch der CO₂-Gehalt der Luft konstant gewesen ist, so dass man die für dieses Verfahren notwendige konstante Konzentration von $^{14}C$ zur Verfügung hat. Da Strahlung wie CO₂-Gehalt nicht mehr rückwirkend gemessen werden können, wird die Annahme der Konstantheit gemacht. Andere Verfahren zeigen für gleiche Proben jedoch erheblich abweichende Jahreswerte, woraus sich schließen lässt, dass diese Annahmen falsch sind. Da jedoch keine bessere Methode vorhanden, wird die $^{14}C$ -Methode weiterhin verwendet.

Kohlenmonoxid

Darstellung:
Man kann Kohlenmonoxid herstellen, indem man das Wasser aus der Ameisensäure mit Hilfe von $H_{2}SO_{4}$ entzieht. Schwefelsäure ist stark wasserentziehend:

$\begin{displaymath}Ameisens\uml {a}ure\longrightarrow^{\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!H_{2}SO_{4}}CO\end{displaymath}$

Des weiteren ist im Generatorgas, welches aus Luft und Kohlenstoff unter Temperatur gebildet wird,

enthalten:

$\begin{displaymath}2C+O_{2}+N_{2}\rightleftharpoons 2CO+N_{2}\end{displaymath}$

Auch im Wassergas ist

enthalten:

$\begin{displaymath}C+H_{2}O\rightleftharpoons CO+H_{2}\end{displaymath}$

CO ist stark toxisch. Es bindet sich an die roten Blutkörperchen und verhindert den Sauerstofftransport im Körper.

Kohlendioxid

Darstellung im Labor: (alternativ kann man auch

verwenden)

$\begin{displaymath}CaCO_{3}+H_{2}SO_{4}\rightarrow CaSO_{4}+H_{2}O+CO_{2}\end{displaymath}$

Nachweis mit Kalkwasser ( $Ca(OH)_{2}$ )

$\begin{displaymath}Ca(OH)_{2}(aq)+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow+H_{2}O\end{displaymath}$

Kohlensäure

Kohlensäure entsteht beim Einleiten von $CO_{2}$ in Wasser. Sie ist jedoch sehr unbeständig und zerfällt sehr schnell wieder (glücklicherweise):

$\includegraphics*{ocohoh.eps}$

Derivate der Kohlensäure

$\includegraphics*{ocohnh2.eps}$

Carbonate

Da Kohlensäure zweiwertig ist, gibt es zwei Salzreihen, da die Salze anders als die Kohlensäure selbst, doch beständig sind:

Anzahl der Metallatome	Salz
1	Hydrogencarbonat z.B. $NaHCO_{3}$ (saure Carbonate) gut wasserlöslich außer $NaHCO_{3}$
2	Carbonat z.B. $CaCO_{3}$ (neutrale Carbonate) nur Alkalicarbonate sind wasserlöslich

Das Carbonation $CO_{3}^{2-}$ verfügt über eine delokalisierte $\pi$ -Bindung. Es ist planar und die Bindungswinkel zwischen den C-Atomen betragen $120^{\circ}$ .

Wasserhärte

Wasser hat temporäre und permantente Härte. Die temporäre Härte wird durch Erhitzen entfernt. Sie bildet sich aus Carbonaten, welche unter Hitze zerfallen. Hauptsächlich ist dies $CaCO_{3}$ . Permanente Härte kann nicht durch Erhitzen entfernt werden.

Solvay-Verfahren zur Sodaherstellung

Soda (Natriumcarbonat) wird zur Herrstellung von Wasserglas, Waschmitteln und Natriumsalzen gebraucht. Es wird in der Industrie in enormen Mengen benötigt.
Hergestellt wird es in dem Solvayverfahren aus Natriumchlorid und Calciumchlorid. Alle anderen Reaktionsteilnehmer sind im Kreislauf und verbrauchen sich nicht:
Hauptreaktionen:

$2NH_{3}+2CO_{2}+2H_{2}O\longrightarrow 2 (NH_{4})HCO_{3}$
$2 (NH_{4})HCO_{3}+2NaCl\longrightarrow 2NaHCO_{3}\downarrow+2NH_{4}Cl$
Hier wird ausgenutzt, daß Natriumhydrogencarbonat schlecht löslich ist. Es fällt aus.
$2NaHCO_{3}\longrightarrow^{\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!brennen}Na_{2}CO_{3}+H_{2}O+CO_{2}$