Über 1,6 Millionen Schüler*innen nutzen sofatutor!
  • 93%

    haben mit sofatutor ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert

  • 94%

    verstehen den Schulstoff mit sofatutor besser

  • 92%

    können sich mit sofatutor besser auf Schularbeiten vorbereiten

IV. Hauptgruppe – Überblick

Bereit für eine echte Prüfung?

Das 4 Hauptgruppe Quiz besiegt 60% der Teilnehmer! Kannst du es schaffen?

Quiz starten
Du willst ganz einfach ein neues Thema lernen
in nur 12 Minuten?
Du willst ganz einfach ein neues
Thema lernen in nur 12 Minuten?
  • Das Mädchen lernt 5 Minuten mit dem Computer 5 Minuten verstehen

    Unsere Videos erklären Ihrem Kind Themen anschaulich und verständlich.

    92%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim selbstständigen Lernen.
  • Das Mädchen übt 5 Minuten auf dem Tablet 5 Minuten üben

    Mit Übungen und Lernspielen festigt Ihr Kind das neue Wissen spielerisch.

    93%
    der Schüler*innen haben ihre Noten in mindestens einem Fach verbessert.
  • Das Mädchen stellt fragen und nutzt dafür ein Tablet 2 Minuten Fragen stellen

    Hat Ihr Kind Fragen, kann es diese im Chat oder in der Fragenbox stellen.

    94%
    der Schüler*innen hilft sofatutor beim Verstehen von Unterrichtsinhalten.
Bewertung

Ø 4.2 / 13 Bewertungen
Die Autor*innen
Avatar
André Otto
IV. Hauptgruppe – Überblick
lernst du in der Sekundarstufe 1. Klasse - 2. Klasse

Grundlagen zum Thema IV. Hauptgruppe – Überblick

4. Hauptgruppe – Chemie

Die 4. Hauptgruppe ist nach der aktuellen IUPAC-Konvention die 14. Gruppe des Periodensystems. Innerhalb der Gruppe gibt es einen fließenden Übergang von Nichtmetallen zu Metallen. In den folgenden Abschnitten sind die wichtigsten Informationen zu den Elementen der 4. Hauptgruppe zusammengefasst. Du erfährst auch, wie man die 4. Hauptgruppe noch nennt.

Was haben die Elemente der 4 Hauptgruppe gemeinsam? vierte Hauptgruppe Periodensystem

Was sind die Elemente der 4. Hauptgruppe?

Die 4. Hauptgruppe des PSE beinhaltet die folgenden Elemente:

Das Element Kohlenstoff kann in verschiedenen Modifikationen auftreten. Hier sind vor allem das Grafit und der Diamant wichtig. Kohlenstoff $\ce{C}$ ist außerdem das wichtigste Element für die organische Chemie.

Wie heißt die 4. Hauptgruppe im Periodensystem?

Die 4. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente wird auch Kohlenstoffgruppe genannt. Alternativ kann auch die Bezeichnung Tetrele verwendet werden.

4. Hauptgruppe – Eigenschaften

Was haben die Elemente der 4. Hauptgruppe gemeinsam? Die Elemente der 4. Hauptgruppe haben alle jeweils vier Valenzelektronen. Somit fehlen noch vier weitere, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Die häufigsten Oxidationszahlen der 4. Hauptgruppe sind $+II$ und $+IV$. Blei bevorzugt eher die Oxidationsstufe $+II$, während für die Verbindungen der restlichen Elemente die Oxidationsstufe $+IV$ stabiler ist. Ein weiterer wichtiger Punkt beim Bindungsverhalten des Kohlenstoffs $\ce{C}$ und Siliciums $\ce{Si}$ ist die Hybridisierung. Dabei werden verschiedene Orbitale innerhalb eines Atoms miteinander zu Hybridorbitalen vermischt.

Einige wichtige Eigenschaften der Elemente der 4. Hauptgruppe sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Kohlenstoff Silicium Germanium Zinn Blei
C Si Ge Sn Pb
Elektronenkonfiguration [He] 2s2 2p2 [Ne] 3s2 3p2 [Ar] 3d10 4s2 4p2 [Kr] 4d10 5s2 5p2 [Xe] 4f14 5d10 6s2 6p2
Schmelzpunkt in $\pu{°C}$ 3 600 (Graphit) 1 400 900 200 300
Dichte in $\pu{g//cm3}$ 3,5 (Diamant)
2,3 (Grafit)
2,3 5,3 7,3 11,3
Mohshärte 10 (Diamant)
0,5 (Grafit)
6,5 6 1,5 1,5
Metallcharakter nimmt zu $\ce{->}$
elektrische Leitfähigkeit nimmt zu $\ce{->}$

Metallcharakter und Leitfähigkeit der Elemente der 4. Hauptgruppe

Der Metallcharakter nimmt in der 4. Hauptgruppe von oben nach unten fließend zu. Kohlenstoff und Silicium sind Nichtmetalle. Dabei ist anzumerken, dass Kohlenstoff in der Modifikation Grafit auch metallischen Charakter hat, im Gegensatz zum nichtmetallischen Diamanten. Germanium ist ein Halbmetall und die Elemente Zinn und Blei sind Metalle.

Mit dem Metallcharakter nimmt auch die elektrische Leitfähigkeit innerhalb der Gruppe mit steigender Ordnungszahl (Kernladungszahl) fließend zu. Auch hier bildet die leitfähige Kohlenstoffmodifikation Grafit eine Ausnahme. Der Diamant ist allerdings nicht leitfähig.

Schmelzpunkt und Dichte der Elemente der 4. Hauptgruppe

Die Dichte nimmt innerhalb der 4. Hauptgruppe mit steigender Ordnungszahl stark zu. Hier bildet der Diamant eine Ausnahme. Diese Modifikation des Kohlenstoffs hat nämlich eine höhere Dichte als das Silicium $\ce{Si}$.

Die Schmelztemperatur nimmt innerhalb der 4. Hauptgruppe von oben nach unten ab. Eine Ausnahme bildet hier das Blei, dessen Schmelztemperatur wieder etwas höher liegt als die seines Vorgängers Zinn $\ce{Sn}$.

Was ist die 4.Hauptgruppe? – Zusammenfassung

Die Elemente der Kohlenstoffgruppe sind Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Sie haben alle jeweils vier Außenelektronen. Der Metallcharakter und damit auch die elektrische Leitfähigkeit nehmen innerhalb der 4. Hauptgruppe mit steigender Ordnungszahl zu. Das wichtigste Element in dieser Gruppe, der Kohlenstoff, ist das Zentrum der organischen Chemie.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben und Arbeitsblätter zur 4. Hauptgruppe, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Teste dein Wissen zum Thema 4 Hauptgruppe!

1.215.161 Schülerinnen und Schüler haben bereits unsere Übungen absolviert. Direktes Feedback, klare Fortschritte: Finde jetzt heraus, wo du stehst!

Vorschaubild einer Übung

Transkript IV. Hauptgruppe – Überblick

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video befassen wir uns mit Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Es geht um die Kohlenstoffgruppe. Das ist die IV. Hauptgruppe im Periodensystem der Elemente. Wir wollen uns in diesem Video einen Überblick verschaffen. Zuerst möchte ich etwas über die Namen und deren Herkunft erzählen. Der Name für Kohlenstoff wurde latinisiert, er heißt carboneum. Seinen Ursprung hat er im lateinischen Wort carbo, das heißt Holzkohle. Der Name Silicium, im gemeinen Sprachgebrauch auch mit z geschrieben, entstammt den lateinischen Wörtern silica, Kieselerde oder silex, Kieselstein. Der Ursprung des Namens Germanium ist klar, oder nicht? Richtig, Deutschland. Zinn heißt auf lateinisch stannum. Dieses Wort verwendeten schon die Römer. Blei heißt auf lateinisch plumbum. Man findet das Wort abgewandelt im Englischen, plumber, der Klempner. Jetzt ein Brainstorming. Welche drei Stichwörter fallen mir zu dem jeweiligen Element ein? Kohlenstoff: C, Diamant, Graphit, organische Chemie. Silicium: Si, Sand, Halbleiter, Personal Computer. Germanium: Ge, Periodensystem der Elemente, Eka-Silizium (von Mendeleev vorausgesagt) und Clemens Winkler, der Entdecker. Zinn: Sn, Bronze, niedrig schmelzend, weich. Blei: Pb, schwer, Radioaktivität schützt vor Strahlung, giftig. Wie ändert sich der Metallcharakter innerhalb der Hauptgruppe? Kohlenstoff ist als Diamant ein typisches Nichtmetall. Graphit hingegen besitzt metallische Eigenschaften. Silicium ist wohl eher ein Nichtmetall. Ich sage nur elektrische Leitfähigkeit. Germanium ist ein Halbmetall. Zinn ist ein Metall. Auch Blei ist ein typisches Metall. Der Metallcharakter nimmt in der IV. Hauptgruppe von oben nach unten zu. Betrachten wir nun die Schmelztemperaturen in °C. Kohlenstoff, C. Graphit hat die höchste Schmelztemperatur aller chemischen Elemente: 3600°C. Silicium schmilzt schon erheblich niedriger, bei 1400°C. Germanium hat eine Schmelztemperatur von 900°C. Zinn ist niedrigschmelzend, bereits bei 200°C. Blei schmilzt bei etwa 300°C. Ich habe die Schmelztemperaturen auf volle Hunderter gerundet. Die Tendenz in den Schmelztemperaturen zeigt einen starken Abfall von oben nach unten innerhalb der Hauptgruppe. Blei stellt gewissermaßen eine kleine Ausnahme dar.  Betrachten wir nun die Härte nach Mohs auf der Skala von 0 bis 10. Kohlenstoff ist der härteste aller bekannten Stoffe in Form des Diamanten; Härte 10. Graphit hingegen ist sehr weich; Härte 0,5. Silicium ist bedeutend weicher als Diamant; Härte 6,5. Germanium ist etwas weicher; Härte 6. Zinn und Blei sind weiche Metalle, sie haben jeweils die Härte 1,5. Es zeichnet sich eine klare Tendenz in der Härte ab: von oben nach unten nimmt sie in der IV. Hauptgruppe ab. Wenn wir sagen, ein Stoff ist schwer, so meinen wir damit die Dichte in g/cm³. Für den Kohlenstoff haben wir 2 Werte: 2,3 (Graphit) und 3,5 (Diamant). Silicium: 2,3. Germanium ist schon erheblich schwerer: 5,3. Eine noch höhere Dichte hat Zinn: 7,3. Am schwersten hingegen ist Blei: 11,3. Es ist zu erkennen, dass die Dichte von oben nach unten stark zunimmt. Und nun noch die elektrische Leitfähigkeit, die ich nur qualitativ betrachten möchte. Minus heißt schlecht und Plus heißt gut. Der Diamant leitet den elektrischen Strom praktisch nicht. Relativ gute elektrische Leitfähigkeit zeigt der Graphit: Plus. Silicium leitet schlecht. Im Vergleich dazu leitet Germanium den elektrischen Strom besser, es ist aber noch kein Leiter, daher setze ich das Plus in eine Klammer. Zinn und Blei sind typische elektrische Leiter. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt also von oben nach unten zu. Das ist die gleiche Tendenz wie beim metallischen Charakter. Alles Gute und auf Wiedersehen.

2 Kommentare
2 Kommentare
  1. Ich möchte diese perspektivlose Diskussion nicht wieder aufnehmen. Von der Farbe wurde es als solches gekennzeichnet. Es gibt auch Quellen, die von Nichtmetall sprechen.
    Alles Gute und viel Erfolg

    Von André Otto, vor fast 7 Jahren
  2. Silizium ist ein Halbmetall

    Von Zau, vor fast 7 Jahren

IV. Hauptgruppe – Überblick Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video IV. Hauptgruppe – Überblick kannst du es wiederholen und üben.
  • 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.