Aluminium Kohlenstoff  Germanium Phosphor  
 Silicium                                            14Si
 engl. silicon; lat. silex ("Kieselstein")
 
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Relat. Atommasse   
Intervall (Hinweis) 
Ordnungszahl    
Schmelzpunkt    
Siedepunkt    
Oxidationszahlen     
Dichte    
Härte (Mohs)     
Elektronegativität    
Elektronenkonfig.   
Natürl. Häufigkeit  
  
 
28,085  
[28,084; 28,086] 
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% 
 
  
    

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16 sek
Ein Gemisch aus Quarzsand und Magnesiumpulver reagiert zu Silicium.
    
GHS-Piktogramme
 
entzündbarAusrufezeichenAchtung
Gefahren (H-Sätze) 
H 228, 319

Diese Kennzeichnung gilt für Silicium gepulvert. Kompaktes Silicium
ist nicht kennzeichnungspflichtig.
CAS-Nummer  
7440-21-3


 

 
 
Physikalisch-chemische Eigenschaften
Reines Silicium ist ein dunkelgrau oder leicht blaugrau glänzendes Halbmetall, das ähnlich spröde ist wie Germanium, so dass man es mit einem Hammer zerschlagen kann. Dabei entstehen muschelige Bruchstücke mit Metallglanz. Silicium ist sehr hart, allerdings erreicht es nicht die Härte von kristallinem Bor. Kompaktes, kristallines Silicium bildet ähnlich wie beim Diamant eine Gitterstruktur, was die hohe Härte und Sprödigkeit erklärt. Dünne Siliciumplättchen sind durchscheinend.

Das bei der Reduktion von Quarzsand erhaltene graue oder graubraune Silicium ist ein unreines Pulver, das im mikrokristallinen Bereich einen ähnlichen Aufbau wie die Kristalle aufweist. Silicium zeigt wie Bismut, Gallium, Germanium oder Wasser beim Schmelzen eine Dichteanomalie: Flüssiges Silicium besitzt eine höhere Dichte als festes. Die thermische Leitfähigkeit des Siliciums ist sehr hoch, dagegen ist die elektrische Leitfähigkeit bei reinem Silicium sehr gering. Sie steigt aber mit zunehmender Temperatur. Durch das Dotieren mit Aluminium- oder Antimon-Atomen kann die elektrische Leitfähigkeit ebenfalls erhöht werden. Man erhält dann einen Halbleiter.  
  
  
 Silicium Einkristall

Silicium Einkristall
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 Bei diesem Einkristall wurde die Spitze abgesägt.
   

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  +  H2reagiert zu  Na2SiO3  +  2H2   
  
Mit den Halogenen und vor allem mit Fluor reagiert Siliciumpulver bereits bei Zimmertemperatur. An der Luft verbrennt Siliciumpulver erst nach sehr starkem Erhitzen zu Silicium(IV)-oxid, das chemisch wie das Mineral Quarz aufgebaut ist:    
  
Si  +  2 F2 reagiert zu  SiF4     ΔHR = -1620 kJ/mol
Si  +  O2 reagiert zu  SiO2      ΔHR = -912 kJ/mol 
   
Bei sehr hohen Temperaturen reagiert Silicium 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)

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 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 Verteilen von Stäuben ist jedoch zu vermeiden, da sie Augenreizungen oder Atemwegsprobleme verursachen können.
  
Vorkommen 
Häufigkeit   sehr häufig

Silicium-Atome machen 25,8% Massenanteil in der Erdhülle aus, damit ist Silicium nach Sauerstoff das zweithäufigste Element auf der Erde. In der Natur kommt elementares Silicium nur sehr selten vor, es ist aber ein anerkanntes Mineral. Meist ist Silicium chemisch in anorganischen Mineralien gebunden, zum Beispiel im Quarz oder in den Silicaten wie Beryll, Olivin, Feldspat, Glimmer oder Turmalin. Etwa 90 Prozent der Erdkruste besteht aus Silicium-Mineralien. 
 
 
 
Bergkristall aus Graubünden/Schweiz

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 Quarze sind aus Siliciumdioxid aufgebaut.

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Geschichte 
Der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) stellte 1823 das Element aus Siliciumtetrafluorid her und erkannte als erster den Elementcharakter. Vermutlich wurde Silicium zuvor schon von mehreren Chemikern hergestellt, ohne dass diese das Element als solches erkannten. Berzelius benannte es anfangs mit dem lateinischen Wort Silex für Kieselstein, da Silicium beim Verbrennen in Kieselerde SiO2 übergeht. Die 1831 von Thomas Thompson (1773-1852) vorgeschlagene englische Bezeichnung silicon sollte auf die Ähnlichkeit des Elements mit Kohlenstoff (carbon) und Bor (boron) hinweisen. Reines Silicium stellte Henry Etienne Sainte-Claire Deville (1818-1881) im Jahr 1854 in einer Elektrolyse her. Seit Ende des 20. Jahrhunderts wird Silicium für die Photovoltaik benötigt.  
   
 
 Der Entdecker des Siliciums

Berzelius
 
 J.J. Berzelius (1779-1848) 
 
  
Herstellung     
Im Labor kann Silicium aus Quarzsand durch Reduktion hergestellt werden: Man mischt zwei Spatel Quarzsand und drei 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 reagiert zu  2 MgO  +  Si   
Si  +  2 Mg reagiert zu  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 reagiert zu  MgCl2  +  H2O   
Mg2Si  +  4 HCl reagiert zu  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. Das dabei entstandene Rohsilicium enthält noch zahlreiche Verunreinigungen. Daher setzt man das Rohsilicium mit Salzsäure zunächst zu Trichlorsilan um: 
  
SiO2  +  2 C reagiert zu  Si  +  2 CO
Si  +  3 HCl reagiert zu  SiHCl3  +  H2   
  
Durch eine Destillation bei etwa 35°C wird das Trichlorsilan von den Verunreinigungen abgetrennt und an dünnen, glühenden Stäben mit zwei Meter 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
 
Tiegelziehverfahren
 
  Herstellung eines Silicium-Einkristalls bei Wacker Siltronic
(Bild mit freundlicher Genehmigung)
        
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. In der Photovoltaik wird Silicium zur Solarzellen-Herstellung benötigt. Blau leuchtende Leuchtdioden benötigen Silicium als Halbleitermaterial.
 
 
 Solarzellen auf dem Piz Nair


 
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 eignet sich zur Herstellung feuerfester Materialien. In Kernkraftwerken wird es als Isolator zwischen den Brennelementen eingesetzt. Siliciumcarbid dient neben anderen keramischen Materialien auch zur Feinstaubfilterung in Diesel-Kraftfahrzeugen. Die Abgase strömen durch eine poröse Wand aus Siliciumcarbid, die Rußpartikel bleiben dann darin hängen. Der Filter wird durch das Verbrennen der Partikel regeneriert.
 
Experimente - Medien  
Diashow: Vom Quarz zum Mikrochip 
Solarenergie
Experimentieranleitung Siliciumherstellung
 
 
Copyright: Thomas Seilnacht
www.seilnacht.com