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| 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.  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 + 2NaOH + H2O -----> Na2SiO3 + 2H2 Mit den Halogenen - vor allem mit Fluor - reagiert es bereits bei Zimmertemperatur: Si + 2F2 -----> 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. |
| 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, z.B. im Quarz oder in den Silicaten (Beryll, Olivin, Feldspat, Glimmer, Turmalin). Etwa 90% der Erdkruste besteht aus Siliciumineralien. Merkwürdigerweise findet man im Tier- und Pflanzenreich nur spurenweise Siliciumatome.  |
| Geschichtliches:
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.  |
| 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 (Arbeitsblatt mit Sicherheitsvorkehrungen zum Download).  Unter Aufglühen oder Feuererscheinungen reduziert das Magnesium den Quarzsand zu Silicium: SiO2 + 2Mg -----> 2MgO + Si Das entstehende Silicium reagiert mit noch vorhandenem Magnesium teilweise weiter zu Magnesiumsilicid: Si + 2Mg -----> Mg2Si  Durch Zugabe von 10%iger Salzsäure reagieren das gebildete Magnesiumsilicid und das Magnesiumoxid weiter zu Magnesiumchlorid, bzw. zu Siliciumwasserstoff: MgO + 2HCl -----> MgCl2 + H2O Mg2Si + 4HCl -----> SiH4 + 2MgCl2 Siliciumwasserstoffe werden auch als Silane bezeichnet. Sie sind pyrophor und verbrennen an der Luft explosionsartig zu Siliciumdioxid und Wasser.  Anschließend dampft man die vebleibende Flüssigkeit ab und zerreibt das getrocknete Roh-Silicium in einer Porzellanschale.  In der Technik wird der Quarz mit Kohlenstoff reduziert: SiO2 + 2C -----> Si + 2CO Das dabei entstandene Rohsilicium enthält noch zahlreiche Verunreinigungen. Daher setzt man das Rohsilicium mit Salzsäure zunächst zu Trichlorsilan um: Si + 3HCl -----> 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:  |
| 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.  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. |
| Copyright: Thomas Seilnacht |
