Chemie

Kohlenstoffgruppenelement - Elektronenkonfigurationen

Elektronenkonfigurationen

Das Grundzustands elektronischen Konfigurationen der Atome dieser Kohlengruppenelemente zeigen , dass jede vier Elektronen in seiner äußersten Schale hat. Wie erklärt wurde, wenn n die äußerste Schale darstellt ( n zwei für Kohlenstoff sind, drei für Silizium , etc.), dann werden diese vier Elektronen durch die Symbole n s 2 n p 2 . Eine solche Konfiguration legt nahe, dass es wichtig ist, sich bei der Bestimmung der Eigenschaften des Elements, insbesondere seiner chemischen Eigenschaften, auf die relativ stabile Edelgasatomkonfiguration zu beziehen, die jedem Element vorausgeht. Der Verlust von vier Elektronen entweder durch ein Kohlenstoffatom oder ein Siliciumatom, um Ionen mit einer positiven Ladung von vier (oder +4, geschriebenem C 4+ oder Si 4+ ) mit den Elektronenkonfigurationen der vorhergehenden Edelgasatome zu ergeben, wird durch die Größe ausgeschlossenIonisierungsenergien . Ionen mit einer Ladung von +4 existieren weder, noch gibt es Hinweise darauf, dass sich durch den Verlust von nur zwei ungepaarten ( n p oder äußersten) Elektronen Kohlenstoff- oder Siliziumionen der Ladung +2 bilden können . Der Elektronenverlust durch Atome der schwereren Elemente der Familie ist einfacher, kann jedoch aufgrund des Vorhandenseins zugrunde liegender (dh d 10 ) Elektronenanordnungen in der äußersten Hülle nicht zu Ionen mit Edelgasatomkonfigurationen führen . Es ist wiederum unwahrscheinlich, dass die +4 Ionen von Germanium , Zinn und Blei (in den Symbolen Ge 4+ , Sn 4+ und Pb 4+ ) in bekannten Verbindungen vorhanden sindEs ist jedoch wahr, dass die Inertheit des Elektronenpaares n s 2 (das in Bezug auf die Energiezustände näher am Kern liegt als das Paar n p 2 ) mit zunehmender Ordnungszahl in der Familie erheblich zunimmt und somit die n p 2 Elektronen müssen getrennt entfernt werden, um mindestens die Ionen Sn 2+ und Pb 2+ zu bilden . Oxidationsstufen von +2 und +4 können in kovalenten Verbindungen jedes dieser Elemente mit Elementen zugeordnet werden, die elektronegativer sind (dh eine größere Affinität für Elektronen aufweisen).

Verkettung

Kohlenstoff ist unter den Elementen in der nahezu unendlichen Kapazität seiner Atome einzigartigBindung zueinander in langen Ketten, ein Prozess , genannt catenation (Latin catena , Kette). Diese Eigenschaft spiegelt die Stärke der Bindung zwischen benachbartenKohlenstoffatome im Molekül, sowohl in Bezug auf ähnliche Bindungen, an denen andere Elemente der Kohlenstofffamilie beteiligt sind, als auch in Bezug auf Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen und Atomen vieler anderer Elemente. Nur die Kohlenstoff-Wasserstoff-, Kohlenstoff-Fluor- und Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindungen (C ― H, C ― F und C ― O) sind stärker als die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindung (C ― C), und jede davon ist schwächer als die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Mehrfachbindungen (C = C oder C≡C). Andererseits ist die Silizium-Silizium-Einfachbindung (Si ― Si) schwächer als andere Einfachbindungen, an denen ein Atom anderer Elemente mit dem Siliziumatom beteiligt ist. Gleiches gilt zweifellos für die Germanium-Germanium- und Zinn-Zinn-Einfachbindungen (Ge-Ge, Sn-Sn) in Bezug auf kovalente Einfachbindungen zwischen Atomen dieser Elemente und Atomen anderer Elemente. Experimentell Es scheint keine praktische Obergrenze für die Verkettung mit Kohlenstoff zu geben. Dieses Phänomen in drei Dimensionen erzeugt dieDiamant und in zwei Dimensionen die Schichten in Graphit . Die Verkettung wird auch in hohem Maße durch elementares Silizium, Germanium und Zinn gezeigt, ist jedoch in Verbindungen dieser Elemente streng begrenzt; Silizium kann bis zu 14 Atome in einer Kette haben; Germanium, 9; und Zinn, nur 2 oder 3, größtenteils in Hydriden (Verbindungen, die Wasserstoff enthalten). Doppel- und Dreifachbindungen in verketteten Anordnungen sind auf Kohlenstoff beschränkt.

Durch die Verkettung über Einfach- oder Mehrfachbindungen oder beides in Kombination mit mehreren anderen Faktoren kann Kohlenstoff mehr Verbindungen bilden als jedes andere Element. Diese Faktoren sind: (1) die Stabilität bestimmter Kohlenstoffbindungen, insbesondere der CH-Bindung; (2) das Vorhandensein von Kohlenstoff sowohl bei s p 2 - als auch bei s p 3 -Hybridisierungen; (3) die Fähigkeit von Kohlenstoff, sowohl Ketten- als auch cyclische Verbindungen zu bilden (bei denen die Kette von Atomen Ende an Ende verbunden ist, um einen Ring zu bilden), basierend entweder auf Kohlenstoffatomen allein oder auf Kohlenstoffatomen in Kombination mit denen anderer Nichtmetalle (z. Sauerstoff , Schwefel, Stickstoff) und entweder bei Einfach- oder Mehrfachbindungsanordnungen; und (4) die Fähigkeit vieler Kohlenstoffverbindungen, in isomeren Formen zu existieren (Isomere sind Moleküle mit identischer Anzahl derselben Atome, die in unterschiedlichen Anordnungen gebunden sind; solche Moleküle haben ganz unterschiedliche Eigenschaften). Alle bis auf wenige Kohlenstoffverbindungen werden als organische Verbindungen bezeichnet und im Artikel Chemische Verbindung erörtert .

Atomgröße

Es wurde auf einige der physikalischen Eigenschaften der Kohlenstoffgruppenelemente Bezug genommen. Die meisten Variationen der Eigenschaften von Kohlenstoff über Blei nehmen parallel zur Atomgröße zu und sind vergleichbar mit denen von Elementen in den Gruppen Bor , Stickstoff , Sauerstoff und Fluor . Die allgemeinen Trends entsprechen in etwa denen der benachbarten Elemente der Borgruppe und der Stickstoffgruppe. Die signifikant höheren Schmelz- und Siedepunkte der Kohlenstoffgruppenelemente spiegeln ihre Tendenz wider, als Riesenmoleküle zu existieren, im Gegensatz zu den Tendenzen der Elemente in den benachbarten Familien, als kleinere, diskrete Moleküle zu existieren.

Wie für das leichteste Element in jeder Gruppe von Elementen unterscheiden sich die physikalischen Eigenschaften von Kohlenstoff erheblich von denen der anderen Mitglieder seiner Familie. Diese Unterschiede spiegeln in hohem Maße die wesentlich höhere Konzentration der positiven Ladung auf dem Kohlenstoffkern im Verhältnis zur Größe des Kohlenstoffatoms wider. Das heißt, der Kohlenstoffkern hält nur sechs Elektronen in zwei Schalen und hält sie daher nahe; Der Bleikern hat dagegen 82 Elektronen, die in sechs Schalen verteilt sind. Die Anziehungskraft zwischen dem Bleikern und seinen äußersten Elektronen ist geringer als bei Kohlenstoff, da dazwischenliegende Schalen in Blei die äußeren Elektronen abschirmen. Strukturelle Unterschiede zwischen Diamant und Graphit führen zu tiefgreifenden Unterschieden in Bezug auf Härte, Leitfähigkeit, Dichte ,Wärmekapazität und andere Eigenschaften. Da Graphit eine einzigartige kristalline Formation unter den Elementen darstellt, sollten seine Eigenschaften nicht direkt mit denen der anderen Elemente in der Familie verglichen werden.

Reaktionen

With a given reagent, diamond is generally less reactive than graphite and, thus, requires more rigorous conditions for reaction, such as a higher temperature; the ultimate products, however, are the same. Crystalline silicon is less reactive than finely divided and, possibly, amorphous silicon. Elemental germanium resembles silicon quite closely. Tin and lead behave in general as metals and thus yield at least some ionic products in reactions that are quite different from those of the other elements. Elemental carbon is of particular importance as a high-temperature reducing agent (a reagent that donates electrons) in metallurgical processing for metal oxides, a reaction that frees the metal. For example, tin can be obtained from its ore cassiterite by reduction with carbon in the form of charcoal. Thus to cite only a few of carbon’s more important applications, carbon is used directly in the production of elemental phosphorus, arsenic, bismuth, tin, lead, zinc, and cadmium, and indirectly, as carbon monoxide, in the production of iron. Elemental silicon, in the iron–silicon alloy ferrosilicon, is also a strong reducing agent and has been used as such to liberate magnesium from its oxide.