Silicium                                            14Si

engl. silicon; lat. silex ("Kieselstein")

Bild vergrößern (nur auf CD-ROM) Relat. Atommasse    Ordnungszahl     Schmelzpunkt     Siedepunkt     Oxidationszahlen      Dichte     Härte (Mohs)      Elektronegativität     Elektronenkonfig.    Natürl. Häufigkeit        28,0855     14     1414°C     3265 °C     4, 2, -4     2,33 g/cm³    6,5     1,9 (Pauling)     [Ne]3s²3p²    Si-28: 92,223%   Si-29: 4,685%   Si-30: 3,092%

Film nur auf CD-ROM   16 sek Ein Gemisch aus Quarzsand und Magnesiumpulver reagiert zu Silicium.      Silicium ist nicht  kennzeichnungspflichtig. Gefahren (H-Sätze)  --   CAS-Nummer   7440-21-3

 

Physikalisch-chemische Eigenschaften

Reines Silicium bildet dunkelgrau, metallisch glänzende Kristalle, die eine diamantähnliche Gitterstruktur besitzen. Dies erklärt auch seine relativ große Härte. Graphitähnliche Strukturen kommen nicht vor. In dünnen Schichten erscheinen die Kristalle durchscheinend. Daneben existiert ein dunkelbraunes, amorphes Pulver, das aber im mikrokristallinen Bereich einen ähnlichen Aufbau wie die Kristalle aufweist. Silicium verringert wie Bismut, Gallium oder Wasser beim Schmelzen sein Volumen um etwa 10% und dehnt sich beim Erstarren wieder aus. Die thermische Leitfähigkeit ist sehr hoch, die elektrische Leitfähigkeit bei reinem Silicium sehr gering. Die elektrische Leitfähigkeit des Siliciums steigt mit zunehmender Temperatur.         Silicium Einkristall      Bild vergrößern (nur auf CD-ROM)      Bei diesem Einkristall wurde die Spitze abgesägt.     Durch das geringfügige Verunreinigen, bzw. durch das Dotieren mit Fremdatomen (z.B. mit Aluminium oder mit Antimon) kann die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls erhöht werden. Man erhält dann einen Halbleiter.       Silicium ist nur sehr wenig reaktionsfähig. Es ist unlöslich in Wasser und Säuren, es wird aber von heißen Alkalilaugen zu den entsprechenden Silicaten aufgelöst:      Si  +  2 NaOH  +  H2O   Na2SiO3  +  2H2       Mit den Halogenen - vor allem mit Fluor - reagiert es bereits bei Zimmertemperatur:      Si  +  2 F2   SiF4      DHR = -1620 kJ/mol     An der Luft verbrennt es erst oberhalb von 1000°C zu Silicium(IV)-oxid (Quarz):      Si  +  O2   SiO2      DHR = -912 kJ/mol      Bei sehr hohen Temperaturen reagiert es auch mit Stickstoff zu Siliciumnitrid Si3N4, mit Kohlenstoff zu Siliciumcarbid SiC und mit Schwefel zu Siliciumdisulfid SiS2. Silicium lässt sich mit Metallen zu Siliciden legieren.      Siliciumcarbid (synthetisch)     Bild vergrößern (nur auf CD-ROM)      Siliciumcarbid ist eine Verbindung zwischen Silicium und Kohlenstoff.

   

Physiologie

Siliciumverbindungen sind beim Menschen für die Struktur von Knorpel, Haut und Bindegewebe von Bedeutung. Bei bestimmten Lebewesen besitzt das Silicium als Bioelement eine viel größere Bedeutung: Bei den Kieselalgen ist die Hülle der Zellen aus Siliciumdioxid aufgebaut. Sie gewinnen das Silicium aus löslicher Kieselsäure im Wasser. Siliciumdioxid findet sich zur Unterstützung des Gerüstbaus auch bei den Hornkieselschwämmen oder den Schachtelhalmen.     Silicium und seine Verbindungen gelten als wenig toxisch, das Einatmen von Stäuben ist jedoch zu vermeiden.

  

Vorkommen

Siliciumatome machen 25,8% Masseanteil in der Erdhülle aus, damit steht Silicium in der Elementhäufigkeit an 2. Stelle nach Sauerstoff. Zahlreiche Mineralien enthalten in ihrem Aufbau Siliciumatome. In der Natur kommen Siliciumatome jedoch nie elementar vor, sondern immer gebunden in anorganischen Mineralien, so im im Quarz oder in den Silicaten (Beryll, Olivin, Feldspat, Glimmer, Turmalin). Etwa 90% der Erdkruste besteht aus Siliciumineralien.       Bergkristall aus Graubünden/Schweiz          Quarze sind aus Siliciumdioxid aufgebaut.    Bild vergrößern (nur auf CD-ROM)

 

Geschichte

Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) stellte im Jahre 1823 als erster das Element aus Siliciumtetrafluorid her. Er benannte es anfangs mit dem lateinischen Wort Silex ("Kieselstein"), da Silicium beim Verbrennen in Kieselerde (SiO2) übergeht. Reines Silicium stellte Sainte-Claire Deville im Jahre 1854 her. Die im Jahre 1831 von Thomas Thompson vorgeschlagene englische Bezeichnung "silicon" sollte auf die Ähnlichkeit des Elements mit Kohlenstoff ("carbon") und Bor ("boron") hinweisen. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts spielte Silicium zunehmend eine große Rolle bei der Entwicklung der Photovoltaik.          Der Entdecker des Siliciums          J.J. Berzelius (1779-1848)

  

Herstellung

Im Labor kann Silicium aus Quarzsand durch Reduktion hergestellt werden: Man mischt 2 Spatel Quarzsand und 3 Spatel Magnesiumpulver in einem Reagenzglas und erhitzt kräftig mit einer Brennerflamme. Unter Aufglühen oder Feuererscheinungen reduziert das Magnesium den Quarzsand (SiO2) zu Silicium (Si). Das entstehende Silicium reagiert mit noch vorhandenem Magnesium teilweise weiter zu Magnesiumsilicid:      SiO2  +  2 Mg   2 MgO  +  Si    Si  +  2 Mg   Mg2Si            Quarzsand reagiert mit Magnesium      Unter Aufglühen reduziert das Magnesium den Quarzsand zu Silicium.      Durch Zugabe von 10%iger Salzsäure reagieren das gebildete Magnesiumoxid und das Magnesiumsilicid weiter zu Magnesiumchlorid und zu Siliciumwasserstoff:      MgO  +  2 HCl   MgCl2  +  H2O    Mg2Si  +  4 HCl   SiH4  +  2 MgCl2       Siliciumwasserstoffe werden auch als Silane bezeichnet. Sie sind pyrophor und verbrennen an der Luft explosionsartig zu Siliciumdioxid und Wasser. Anschließend dampft man die verbleibende Flüssigkeit ab und zerreibt das getrocknete Roh-Silicium in einer Porzellanschale.         Zugabe von Salzsäure      Die entstehenden Silane reagieren an der Luft explosionsartig.            In der Industrie wird der Quarz mit Kohlenstoff reduziert:      SiO2  +  2 C   Si  +  2 CO       Das dabei entstandene Rohsilicium enthält noch zahlreiche Verunreinigungen. Daher setzt man das Rohsilicium mit Salzsäure zunächst zu Trichlorsilan um:      Si  +  3 HCl   SiHCl3  +  H2       Durch eine Destillation bei ca. 35°C wird das Trichlorsilan von den Verunreinigungen abgetrennt und an dünnen, glühenden Stäben von 2 Metern Länge aus Reinstsilicium zersetzt. Dabei scheidet sich reines, polykristallines Silicium ab. Zur Herstellung von Silicium-Einkristallen schmilzt man das polykristalline Silicium in Quarztiegeln. An einem dünnen Impfkristall, der in die Schmelze getaucht wird, wächst beim langsamen Herausziehen unter Rotation ein großer Silicium-Einkristall:          Das Tiegelziehverfahren       Herstellung eines Silicium-Einkristalls bei Wacker Siltronic          Diashow: Vom Quarz zum Mikrochip

  

Verwendung

Die gewonnenen Silicium-Einkristalle werden in dünne Scheiben zersägt. Diese werden auch als "Wafer" bezeichnet. Sie stellen das wichtigste Rohmaterial zur Herstellung von Mikrochips und Halbleitern dar. Auch in der Photovoltaik nimmt Silicium zunehmend eine bedeutende Stellung zur Herstellung von Solarzellen ein.        Solarzellen auf dem Piz Nair     Bild vergrößern (nur auf CD-ROM)     An der Bergstation der Seilbahn oberhalb von St. Moritz in 3000 Metern Höhe findet man dieses Solarzellen-Kraftwerk.       Technisches (unreines) Silicium wird vor allem als Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung verwendet. Das zugegebene Silicium entfernt in der Metallschmelze die als Metalloxide vorliegenden Verunreinigungen und bindet sie, so dass die Produkte in der Schlacke abgeschöpft werden können. Außerdem dient Silicium zur Legierung verschiedener Metalle wie Aluminium, Eisen oder Kupfer.      Siliciumcarbid ist aufgrund seiner großen Härte und des hohen Schmelzpunktes ein bedeutendes Schleifmittel. Es dient zur Herstellung feuerfester Materialien, in Kernkraftwerken wird es als Isolator zwischen den Brennelementen eingesetzt. Es eignet sich auch als Halbleitermaterial, beispielsweise für blau leuchtende Leuchtdioden.

 

Experimente - Medien
Diashow: Vom Quarz zum Mikrochip  Solarenergie

 

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