Periodiek systeem/Koolstofgroep, fysische eigenschappen

Fysische eigenschappen

De smelt- en kookpunten in de koolstofgroep vertonen met stijgend atoomnummer een dalende trend, met het smeltpunt van lood als bevestigende uitzondering op de regel. De dichtheid en de atoomstralen nemen met het atoomnummer in de groep toe.

Atoomnummer	Element	Smeltpunt (°C)	Kookpunt (°C)	Dichtheid (g/cm3	Atoomstraal (pm)
6	Koolstof	3825 (sublimeert)		2,26	77
14	Silicium	1414	3265	2,33	118
32	Germanium	939	2833	5,32	123
50	Tin	232	2602	7,26	141
82	Lood	328	1749	11,3	175
114	Flerovium	?	-60 (Theoretisch)	?	?

Kristalstructuur van diamant

Kristalvormen

De standaard kristalsructuur van koolstof in grafietis [[w:Hexagonaal kristalstelsel|hexagonaal, onder hoge druk en temperatuur ontstaat diamant met de voor diamant karaktristieke structuur (zie hieronder. Silicium en germanium, en tin beneden 13,2 °C, vertonen ook de diamantstructuur. Boven 13,2 °C heeft tin een tetragonaal kristal. Lood vormt vlak gecentreerde kubische kristallen.

Allotropen

In de koolstofgroep bestaan van meerdere elementen allotrope vormen: ze zijn in staat tot de vorming van meerdere kristallen.

Koolstof

Van koolstof zijn meerdere allotrope vormen bekend:

• Grafiet: de atomen vormen grote vellen van zeshoeken, die op elkaar gestapeld zijn. In de vellen is sprake van naar alle zijden overlappende p-orbitalen waardoor een zeer groot polycyclische aromatische structuur ontstaat. De bindingslengte in de structuur is 142 pm, tussen de lagen is dat 335 pm. De binding tussen de verschillende lagen is relatief zwak. Grafiet is daardoor een zacht materiaal.
• Grafeen: Deze vorm van koolstof bestaat uit een enkele laag koolstof-atomen die in een grote zeshoekige honingraat-structuur met elkaar verbonden zijn. Alle koolstof-atomen hebben een sp²-structuur. Grafeen vormt de basisstructuur van grafiet en koolstofnanobuizen.
• Diamant: alle koolstofatomen hebben een tetraëder-omringing met gelijke, sterke covalente bindingen tussen de atomen. Diamant is daardoor het hardste natuurlijke materiaal dat we kennen. De zeldzaamheid en de hardheid maken diamant tot een dure vorm van koolstof.
• Fullereen: Een voetbal-achtige structuur van koolstof-atomen met vijf- en zesringen.
• Amorfe koolstof: De naam geeft aan dat deze vorm van koolstof geen herkenbare structuur-elementen bevat. Meestal gaat het om verbrandingsresten, en staat ze bekend onder de naam roet. In de praktijk bestaan verbrandingresten maar voor een deel uit amorf materiaal. In deze matrix zijn micro-gebiedjes aan te wijzen met een grafiet- of diamant-structuur, naast verbindingen uit de PAKs-groep, koolstofnanobuisjes en fullerenen

Silicium

Van silicium zijn twee allotrope vormen bekend:

• Amorf silicium is een bruin poeder. Het wordt veel gebruikt als uitgangsstof in de productie van zonnecellen.
• Kristallijn silicium] vormt grijze kristallen met een metalige glans. Zeer zuiver kristallijn silicium vormt de basis van halfgeleiders en daarmee van de informatietechnologie.

Tin

Ook van tin zijn twee allotropen bekend:

• $\mathrm{\alpha }\text{-}\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{n}$: Bij temepraturen lager dan 13,2°C komt tin in deze, grijze vorm voor. Het bestaat dan uit kubische kristallen, die ook bij silicium en germanium voorkomen.
• $\mathrm{\beta }{\phantom{A}}^{-}\mathrm{T}\mathrm{i}\mathrm{n}$Boven 13,2°C gaat de alfa-vorm over in de witte beta-vorm, waarbij de kristalstructuur verandert naar tetragonaal. Bij afkoelen treedt de omgekeerde fase-overgang op. Hierbij neemt het volume 21% toe. Het veel meer volume vragende al afgekoelde materiaal breekt als een grijs poeder van de nog niet afgekoelde stof of. Dit proces wordt tinpest genoemd.