4. Hauptgruppe: Nichtmetalle, Halbmetalle & Metalle

Verglichen mit anderen Hauptgruppen, die Du vielleicht schon kennst, wie die Halogene oder die Alkalimetalle, ist die vierte Hauptgruppe etwas anders. Normalerweise ähneln sich die Elemente der verschiedenen Gruppen in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften, in der vierten Hauptgruppe ist dies jedoch nicht der Fall. Die Elemente unterscheiden sich stark, da die Hauptgruppe Nichtmetalle, Halbmetalle und Metalle enthält. Alle Elemente der fünften Spalte von rechts zählen zu dieser Gruppe; also Kohlenstoff, Silicium, Germanium, Zinn und Blei. Theoretisch würde auch das radioaktive Flerovium dazu zählen, es ist allerdings so kurzlebig, dass es in der Chemie vernachlässigt werden kann.

Elementsymbol	Element	Klasse
	Kohlenstoff	Nichtmetall
	Silicium	Halbmetall
	Germanium	Halbmetall
	Zinn	Metall
	Blei	Metall

Kohlenstoff

Dieser Umstand macht Kohlenstoff zu einem der vielfältigsten Elemente und zur Grundlage allen Lebens: denn Kohlenstoff bildet auch sehr stabile Bindungen mit sich selbst aus, was die Bildung von Millionen verschiedener organischer Moleküle erlaubt.

Als organische Moleküle bezeichnet man in der Chemie chemische Verbindungen, die Kohlenstoff als Grundgerüst besitzen, zusammen mit anderen Elementen. In der unteren Grafik links kannst Du einige Beispiele für organische Moleküle sehen. Solche organischen Moleküle wie verschiedene Aminosäuren und Kohlenhydrate sind die Stoffe, aus denen Du selbst zusammengesetzt bist. Kohlenstoff kann aber auch in anorganischer Form auftreten, so auch als Kohlendioxid welches Du täglich ausatmest.

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Kohlenstoff kommt auch in elementarer Form vor, dabei existieren einige Modifikationen natürlicherweise, während andere synthetisch hergestellt werden. So kommt Kohlenstoff in der Natur elementar als Diamant oder Grafit vor. Im Labor erzeugen Forscher aber auch künstliche Fullerene. Das sind Kugeln aus 60 oder mehr Kohlenstoffatomen. Falls Du Dir das nicht vorstellen kannst, so kannst Du noch ein Beispiel unten rechts sehen. Die verschiedenen Erscheinungsweisen von Kohlenstoff unterscheiden sich in ihren chemischen sowie in ihren physikalischen Eigenschaften.

In der Abbildung rechts kannst Du die Elektronenkonfiguration eines Kohlenstoffatoms sehen. Die Valenzschale ist genau zur Hälfte gefüllt. Kohlenstoff benötigt somit noch vier weitere Elektronen, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dank dieser Besonderheit kann Kohlenstoff vier sehr stabile Bindungen eingehen und da er ein sehr kleines Volumen hat, kann er ausserdem auch sehr stabile Zwei- und Dreifachbindungen eingehen.  ​

​Dieser Umstand macht Kohlenstoff zu einem der vielfältigsten Elemente und zur Grundlage allen Lebens: denn Kohlenstoff bildet auch sehr stabile Bindungen mit sich selbst aus, was die Bildung von Millionen verschiedener organischer Moleküle erlaubt. ​Als organische Moleküle bezeichnet man in der Chemie chemische Verbindungen, die Kohlenstoff als Grundgerüst besitzen, zusammen mit anderen Elementen. In der unteren Grafik links kannst Du einige Beispiele für organische Moleküle sehen. Solche organischen Moleküle wie verschiedene Aminosäuren und Kohlenhydrate sind die Stoffe, aus denen du selbst zusammengesetzt bist. Kohlenstoff kann aber auch in anorganischer Form auftreten, so z.B. als Kohlendioxid welches Du täglich ausatmest.


Kohlenstoff kommt auch in elementarer Form vor, dabei existieren einige Modifikationen natürlicherweise, während andere synthetisch hergestellt werden. So kommt Kohlenstoff in der Natur elementar als Diamant oder Grafit vor. Im Labor erzeugen Forscher aber z.B. auch künstliche Fullerene. Das sind Kugeln aus 60 oder mehr Kohlenstoffatomen. Falls Du Dir das nicht vorstellen kannst, so kannst du noch ein Beispiel unten rechts sehen. Die verschiedenen Erscheinungsweisen von Kohlenstoff unterscheiden sich in ihren chemischen, sowie in ihren physikalischen Eigenschaften.

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Silicium

Auch Silicium hat vier Valenzelektronen, weshalb auch es vier Bindungen ausbilden kann. Im Gegensatz zu Kohlenstoff bildet Silicium aber weniger Zwei- und Dreifachbindungen und auch schwächere Bindungen mit sich selbst. Trotzdem ist die Vielfalt an Silicium Verbindungen riesig. Silicium hat vor allem eine grosse Affinität zu Sauerstoff und bildet mit ihm sehr stabile Einfachbindungen aus. 

Insgesamt 15 % der Masse unserer Erde liegt als Silicium vor und somit ist es das dritthäufigste Element der Erde. In der Natur kommt es in Form von vielen verschiedenen Mineralien, wie als Quarz (Siliciumdioxid), aber auch in gediegener, also elementarer Form, vor. Auch Sand besteht hauptsächlich aus Silicium. Technisch wird es häufig verwendet, um Solarzellen oder Computerchips herzustellen, aber auch in der organischen Chemie gibt es viele Anwendungen für Silizium.

Germanium

Auch Germanium hat vier Valenzelektronen, bildet aber nicht mehr so stabile kovalente Bindungen aus wie Kohlenstoff oder Silicium. Es ähnelt in seinen chemischen Eigenschaften stark denen eines Metalls, da es lieber vier Elektronen abgibt, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen, anstatt kovalente Bindungen auszubilden. Es bildet vor allem mit Halogenen aber auch mit organischen Stoffen verschiedene chemische Verbindungen. Früher wurde Germanium als Medikament angepriesen, doch mit neuen Erkenntnissen zeigte sich, dass es giftig ist. Heutzutage wird das Element vor allem in technischen Anwendungen wie für optische Gläser oder spezielle Fasern verwendet.

Zinn

Zinn ist das erste der zwei Metalle in der 4. Hauptgruppe. Das silberweiss glänzende und sehr weiche Schwermetall lässt sich mit dem Fingernagel ritzen und hat einen für Metalle sehr niedrigen Schmelzpunkt. Es bildet beispielsweise mit Halogenen und Chalkogenen Salze und gibt dabei zwei oder alle vier seiner Valenzelektronen ab. 

Die Salze von Zinn oder seine metallische Form sind dabei kaum giftig, während organische Zinnverbindungen hochgiftig sind. So wurde zum Beispiel Tributylzinn (TBT), eine organische, hochgiftige Zinnverbindung, früher als Schiffsrumpfanstrich verwendet. Da der Anstrich so hochgiftig ist, konnten keine Algen oder Muscheln am Schiffsrumpf wachsen. Leider gelangte durch das auch sehr viel TBT in Flüsse und Meere und vergiftet bis heute noch einige Regionen. Verwendet wurde Zinn früher vor allem auch für Geschirr oder Dosen, da es so weich und formbar ist. Heutzutage findet das Metall vor allem in Schmuck, Legierungen und in der Elektronik Verwendung.

Blei

Auch Blei gehört zu den Metallen. Mit 82 Protonen und bis zu 126 Neutronen ist es das schwerste Element, welches nicht radioaktiv und stabil ist. Es ist ein sehr weiches, formbares Schwermetall. Normalerweise gibt es nur zwei seiner vier Valenzelektronen ab und reagiert mit Halogenen oder Sauerstoff zu Halogeniden und Oxiden.

Früher wurde Blei sehr oft verwendet, wie beispielsweise in Trinkwasserrohren und Benzin. Da Bleiverbindungen jedoch giftig sind, versucht man heute andere Metalle zu verwenden als Blei und Benzin wird gar kein Blei mehr zugefügt. Trotzdem findest Du Blei noch in vielen Anwendungen. Zum Beispiel wird metallisches Blei als Strahlenschutz beim Röntgen verwendet oder als Gewichte beim Fischen.