Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 18.02.16

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Elementstrukturen der IV. Hauptgruppe

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Vortrag von Katharina Schneider im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 00/01

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Gliederung:

1. Einleitung

2. Kohlenstoff
    2.1 Graphit
    2.2  Diamant
    2.3  Fullerene

3. Silicium und Germanium

4. Zinn

5. Blei

6. Schluss

7. Literatur

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1. Einleitung

Zu Beginn des Vortrages wurde der Raum abgedunkelt und mit einem Spott ein Swarovsky-Stein angestrahlt. Dazu wurde das Lied "Diamonds are a girls best friend" von Marilyn Monroe abgespielt. Anschließend wurde festgestellt, dass Diamanten nicht nur materiellen Wert besitzen, sondern auch für den Heimwerker kostbar sind. Zur Demonstration wurde eine Trennscheibe herum gegeben und mit einem Glasschneider ein Stück Glas zerschnitten. Im Anschluss daran wurde erörtert, warum sich ein Graphitblock, obwohl er ebenso aus Kohlenstoff besteht, nicht als Schmuckstein eignet.

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2. Kohlenstoff

2.1 Graphit

Graphit ist die bei Normalbedingungen stabile Modifikation des Kohlenstoffs. Er kristallisiert in einer Schichtstruktur aus planaren Schichten, wobei jedes C-Atom mit drei anderen kovalent verknüpft ist. Das vierte Elektron befindet sich in p-Orbitalen senkrecht zu den Schichten. Diese delokalisierten Elektronen (innerhalb der Schichten frei beweglich) bedingen den metallischen Glanz, die schwarze Farbe und die Leitfähigkeit des Graphits. Die Leitfähigkeit ist anisotrop, d.h. ungleich in verschiedene Richtungen. Graphit ist parallel der Schichten gut leitfähig - aufgrund der freien Elektronen - senkrecht dazu hingegen kaum leitfähig, da sich hier keine Elektronen befinden. Die einzelnen Schichten werden durch van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Da diese Kräfte relativ schwach sind, können die Schichten gut gegeneinander verschoben werden. Graphit eignet sich deshalb als Schmiermittel und wird zum Schreiben benutzt.

Durch unterschiedliche Schichtfolge können wir zwei Modifikationen des Graphits unterscheiden:

bulletalpha- oder hexagonalen Graphit, bei dem jede dritte Schicht deckungsgleich zur ersten ist.
bulletbeta- oder rhomboedrischen Graphit, bei dem erst die vierte Schicht über der ersten liegt.
graphit.JPG (7698 Byte) bgra.JPG (17997 Byte)
Abb. 1: alpha- (links) bzw. beta-Graphit (rechts)

Die Schichten sind aber niemals deckungsgleich sondern stehen immer auf Lücke !!!

2.2 Diamant

Eine zweite Modifikation des Kohlenstoffs ist der Diamant, anders als Graphit ist dieser transparent, ein Isolator und vor allem extrem hart. Diese typischen Nichtmetall-Eigenschaften lassen sich ebenfalls durch die Struktur aufklären. Im Diamant ist jedes C-Atom tetraedrisch von vier anderen umgeben.

Diamantzelle.JPG (3230 Byte)

Abb. 2: Struktur des kubischen Diamanten [9]

Dies bedeutet, dass aus den freien Elektronen des Graphit nun Elektronenpaarbindungen geworden sind, die abwechselnd nach oben und unten weisen, was zu einer Wellung der Schichten und zu einem engeren Zusammenrücken führt. Beim Diamant handelt es sich allerdings nicht um eine Schichtstruktur, sondern um ein Kristallgitter. Der Begriff "Schicht" wird lediglich zur Veranschaulichung verwendet.

Je nachdem wie die "Schichten" relativ zueinander orientiert sind spricht man von kubischem oder hexagonalem Diamant. Im ersten Fall sind die "Schichten" in ihrer Projektion versetzt. Beim hexagonalem Diamant hingegen liegen sie übereinander. Hexagonaler Diamant (Lonsdaleit) kommt in der Natur nur selten vor. Er wurde in winzigen Kriställchen in Meteoriten gefunden.

Obwohl sich Graphit und Diamant stark unterscheiden, kann man Diamant bei hohen Drücken aus Graphit darstellen. Bei solchen Übergängen, die durch hohen Druck hervorgerufen werden gilt das

Druck-Abstands-Paradoxon: Bei druckinduzierten Phasenübergängen vergrößern sich die interatomaren Abstände.

 Modifikation

C-C-Abstand [pm]

Graphit

141,5

Diamant

154

Was zunächst paradox klingt, ist dennoch nicht abwegig, denn es gilt noch eine weitere Regel.

Druck-Koordinations-Regel: Bei steigendem Druck erhöht sich die Koordinationszahl, hier von Graphit mit KZ = 3 auf  Diamant KZ = 4. Dadurch sind nun mehr Atome um ein anderes gruppiert und der Platzanspruch ist somit gestiegen. Durch ein auseinanderweichen der Atome wird der benötigte Platz geschaffen.

2.3 Fullerene

Fullerene sind große Kohlenstoffmoleküle mit Hohlkugelgestalt. Sie entstehen beim Verdampfen von Graphit in Helium-Atmosphäre. Der bekannteste Vertreter ist das Buckminster-Fulleren C60. Es hat die Gestalt eines Fußballs mit 20 C6- und 12 C5-Ringen. Ersetzt man in einer Graphitschicht einige C6-Ringe durch C5-Ringe, so wird eine Krümmung erzwungen. Verknüpft man nun die Ringe über gemeinsame Kanten, so erhält man eine kugelähnliche Gestalt. Auch hier sind 3 C-Atome miteinander verknüpft, die "übrigen" Elektronen sind aber nicht wie im Graphit frei, sondern befinden sich immer in den Bindungen zwischen den Sechsringen.

fulleren2.JPG (4755 Byte)

Abb. 3: C60-Fulleren [10]

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3.  Silicium und Germanium

Silicium ist ein Nichtmetall, bei Germanium handelt es sich um ein Halbmetall. Beiden wird die Eigenschaft als Halbleiter zugeschrieben. Die alpha-Modifikationen beider Elemente sind isotyp zum kubischen Diamant, d.h. sie besitzen gleiches Bauprinzip und Symmetrie. Hier ist allerdings ein kleiner Teil der Valenzelektronen nicht in den bindenden Orbitalen lokalisiert und im Gitter frei beweglich. Aus diesem Grund besitzen beide im Gegensatz zum Diamant Halbleiter-Eigenschaften.

Desweiteren existieren noch drei Hochdruckmodifikationen der beiden Elemente.

bulletbeta-Form: Struktur isotyp zum beta-Zinn
bulletdelta-Form: Struktur isotyp zum hexagonalen Diamant
bulletgamma-Form: kristallisiert kubisch raumzentriert.

 

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4.  Zinn

Napoleon, einst ein erfolgreicher Feldherr, erlitt 1812 beim Marsch auf Moskau einen Einbruch in seiner Karriere. Durch einen plötzlichen Kälteeinbruch zerfielen die Zinnknöpfe an den Uniformen der Soldaten. Und so mussten mehr als 500 000 Soldaten ihr Leben durch Erfrieren lassen, da sie nicht wussten, dass unter 13°C eine zweite spröde Modifikation des Zinns existiert. Diese Umwandlung in der Kälte ist heute als Zinnpest bekannt. Die bei tiefen Temperaturen stabile Modifikation besitzt die Struktur des kubischen Diamanten und wird als alpha-Zinn bezeichnet. Bei dem bei Raumtemperatur stabilen beta-Zinn würde man eine typische Metallstruktur (dichte Kugelpackung) erwarten, da es sich erstmals um ein Metall handelt.

Versuch: Zinngeschrei
Material: Das nötige Material - eine Zinnstange - ist bei der Zinngießerei Sturm am Hohenzollernring - Nähe Rotmain-Center - für einen Betrag von 5 DM erhältlich.
Durchführung: Biegen einer Zinnstange
Beobachtung: Ein eigentümliches Knirschen ist zu hören, das sog. "Zinngeschrei".
Interpretation: Bei einer typischen Metallstruktur würde ein solches Geräusch nicht zu hören sein, da die Metallschichten mühelos aneinander vorbei gleiten würden.

beta-Zinn hingegen besitzt einen individuellen Strukturtyp, bei dem sich durch Biegen die Kristalle ineinander verhaken und so ein Geräusch hervorrufen. Diese beta-Modifikation kann auch bei tiefen Temperaturen durch hohen Druck aus alpha-Zinn erhalten werden. Aus den regulären Tetraedern des alpha-Zinn entstehen so abgeplattete Tetraeder, die zusätzlich noch zwei weitere Bindungen ausbilden. Die Koordinationszahl erhöht sich somit von 4 auf 6. Auch hier gelten wiederum die Druck-Koordinationsregel und das Druck-Abstands-Paradoxon.

 Modifikation

Sn-Sn-Abstand [pm]

alpha-Zinn

281

beta-Zinn

302 / 318

 

bZinn.JPG (5796 Byte)

Abb. 4: alpha-Zinn (links) und beta-Zinn (rechts)   

 

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5.  Blei

Blei kristallisiert in einer typischen Metallstruktur, der kubisch dichtesten Packung. Um diese Struktur zu verstehen, muss man annehmen, dass die Metallatome starre Kugeln sind, die sich möglichst dicht zusammenlagern. Die dichteste Anordnung von Kugeln in einer Schicht ist eine hexagonale Anordnung, d.h. jede Kugel ist von sechs anderen umgeben. Dadurch verbleiben zwischen den Kugeln sechs Lücken. Die nun folgende Schicht hat zwei Möglichkeit sich anzuordnen, in die Lücken 1 oder 2. Ordnet sich eine dritte Schicht deckungsgleich zur ersten an, erhält man eine Schichtfolge ABAB. Die zugehörige Struktur wird als hexagonal dichteste Packung bezeichnet. Im Falle des Bleis ordnet sich die dritte Schicht in den zuvor frei gebliebenen Lücken an, und es ergibt sich eine Schichtfolge ABCABC. Diese Struktur wird als kubisch dichteste Packung bezeichnet. Die Elementarzelle dieser Struktur entspricht einem auf der Kante stehenden Würfel.

bleistruktur.GIF (3218 Byte)

Abb. 5: Lücken einer dichtesten Kugelpackung in ABC-Schichtenfolge

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6.  Schluss

Im Laufe des Vortrages konnte man erkennen, dass die IV. Hauptgruppe ein ziemlich bunt gemischter Haufen ist, in dem vom Nichtmetall über Halbmetall zum Metall auch noch Elemente mit vielen Modifikationen und Eigenschaften vertreten sind. Der Vortrag sollte einen kleinen Einblick in diese Vielfalt gewähren.

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7. Literatur:

  1. E. Riedel, Anorganische Chemie, de Gruyter-Verlag, 4.Aufl., Berlin 1999.
  2. C. E. Mortimer, Chemie, Thieme, 5.Aufl., Stuttgart 1987.
  3. N. N. Greenwood / A. Earnshaw, Chemie der Elemente, VCH, Weinheim 1990.
  4. U. Müller, Anorganische Strukturchemie, Teubner Studienbücher, 2.Aufl, Stuttgart 1992.
  5. Holleman / Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, de Gruyter-Verlag, 101.Aufl., Berlin 1995.
  6. http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/umat/rekorde_ac1/rekorde.htm, 04.03.2001.
  7. www.chemieunterricht.de/dc2/kristalle/dc2kt_20.htm, 04.03.2001.
  8. Stopf / Rossa, Chemische Schulversuche, Volk und Wissen Volkseigener Verlag, Berlin 1962.
  9. http://www.guidobauersachs.de/anorg/diamant.gif (16.02.2016);
  10. https://ahfutures.files.wordpress.com/2010/04/c60.gif?w=530 (16.02.2016; 33 weitere Quellen)

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