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Silicium



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Silicium, Si, 14
Serie Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block 14, 3, p
Aussehen dunkelgrau,
bläulicher Farbton
Massenanteil an der Erdhülle 25,8 %
Atomar
Atommasse 28,0855 u
Atomradius (berechnet) 110 (111) pm
Kovalenter Radius 111 pm
Van-der-Waals-Radius 210 pm
Elektronenkonfiguration [Ne] 3s2 3p2
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 4
1. Ionisierungsenergie 786,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1577,1 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3231,6 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4355,5 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen
Kristallstruktur Diamant-Struktur
Dichte 2,33 g/cm3
Mohshärte 6,5
Magnetismus diamagnetisch
Schmelzpunkt 1683 K (1410 °C)
Siedepunkt 2628 K (2355 °C)
Molares Volumen 12,06 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme 384,22 kJ/mol
Schmelzwärme 50,55 kJ/mol
Dampfdruck

4,77 Pa bei 1683 K

Schallgeschwindigkeit long.: ~8900 m/s
trans.: ~5300 m/s bei 293 K
Spezifische Wärmekapazität 700 J/(kg · K) bei 298 K
Elektrische Leitfähigkeit 2,52 10-4 S/m
Wärmeleitfähigkeit 148 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände -4, (2) +4
Oxide (Basizität) SiO2 (amphoter)
Normalpotential
Elektronegativität 1,90 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
26Si

{syn.}

2,234 s ε 5,066 26Al
27Si

{syn.}

4,16 s ε 4,812 27Al
28Si

92,23 %

Stabil
29Si

4,67 %

Stabil
30Si

3,1 %

Stabil
31Si

{syn.}

157,3 min β- 1,492 31P
32Si

{syn.}

276 a β- 0,224 32P
33Si

{syn.}

6,18 s β- 5,845 33P
34Si

{syn.}

2,77 s β- 4,601 34P
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
E fL bei
B = 4,7 T
in MHz
29Si 1/2 - 5,319 3,69 · 10-4 19,864 (2,3488 T)
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
Granulat

Pulver
R- und S-Sätze R: 36/38 (Granulat)[1]

R: 11-36/37/38 (Pulver)[2]

S: 26-36/37/39 [1][2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Silicium (von lat. silex „Kiesel“; häufig verwendet wird auch die Schreibweise Silizium, die aber nicht IUPAC-konform ist; engl.: silicon) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14. Es steht in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) und 3. Periode des Periodensystems der Elemente.

Silicium ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen auf. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf.

Silicium ist ein Elementhalbleiter. Wie nur wenige andere Stoffe (wie Wasser) weist Silicium eine Dichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in fester.

Elementares Silicium ist für den menschlichen Körper ungiftig, in gebundener silikatischer Form ist Silicium für den Menschen wichtig. Siliciummangel führt unter anderem zu Wachstumsstörungen des Knochengerüstes. Der menschliche Körper enthält etwa 20 mg/kg Körpergewicht Silicium. Der Wert nimmt im Alter jedoch ab.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Nutzung in vorindustrieller Zeit

  Siliciumhaltige Verbindungen spielen in der Menschheitsgeschichte als Baumaterial traditionell eine wichtige Rolle. In gewaltigen Steinsetzungen wie Stonehenge wird religiöse und astronomische Bedeutung vermutet. Die Ägypter meisterten die sichere Bearbeitung und Handhabung gewaltiger Gesteinsmassen. Astgeflecht-Lehmbau für Herde, Öfen, Gebäude, luftgetrocknete, später gebrannte Kacheln, Ziegel und Tongefäße sind die ersten weiterverarbeiteten Siliciumverbindungen. Gewölbebauten im Orient aus gebrannten Ziegeln werden von den Römern zu hohen Aquädukten und Innenräumen von bis zu 40 Metern Spannweite weiterentwickelt. Auch ein unter Wasser härtender Zement aus gebrannten Silikaten wird von ihnen entdeckt. In römischer Zeit wird Straßenbau für hohe Belastung und Dauerhaftigkeit auf Schotterunterbau entwickelt. Glasfenster machen Gebäude für die Römer auch in den nördlichen Besatzungsgebieten bewohnbar und werden von den Einheimischen übernommen. In Sandstein und Mauerstein wird der Gewölbebau in der Gotik zur Vollendung gebracht.

Aufgrund ihrer scharfen Schnittkanten fanden siliciumhaltige Gesteine in der Steinzeit auch Einsatz als Werkzeuge. Bereits in vorgeschichtlicher Zeit ist zum Beispiel Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial abgebaut und durch Handel weithin verbreitet worden. Auch Flintstein wurde in Kreidegebieten, etwa in Belgien und Dänemark, bergmännisch gewonnen. Bei der Metallgewinnung, insbesondere bei der Stahlherstellung, wird Silikat-Schlacke zum Schutz der Herde und Öfen vor Sauerstoffzutritt und als Form aus Ton oder Sand eingesetzt; dabei wurde möglicherweise die Glasherstellung entdeckt.

Elemententdeckung

Als Element wurde Silicium vermutlich zum ersten Mal von Antoine Lavoisier im Jahre 1787 und unabhängig davon von Humphry Davy im Jahre 1800 hergestellt, fälschlicherweise jedoch für eine Verbindung gehalten. Im Jahre 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) unreines und amorphes Silicium (a-Si, die nichtkristalline, allotropische Form des Siliciums) her. Dazu setzten sie Siliciumtetrafluorid mit elementarem Kalium um. Ein ähnliches Vorgehen wurde 1824 von Jöns Jakob Berzelius in Schweden durch Umsetzung eines Hexafluorosilikates mit elementarem Kalium beschritten. Berzelius reinigte das so erhaltene amorphe Silicium durch Waschen auf. Er erkannte als erster die elementare Natur des Siliciums und gab ihm seinen Namen. Der Begriff Silicium leitet sich vom lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silicium häufiger Bestandteil vieler Minerale und nach Sauerstoff und noch vor Aluminium das zweithäufigste Element der Erdkruste ist. Es exisitieren jedoch auch Quellen, welche den Begriff Silicium auf Antoine Lavoisier zurückführen.

Der englische Begriff silicon wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thomson (1773-1852) vorgeschlagen. Die Endung -on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen.

Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliciums gelang im Jahre 1854 dem französischen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.

Nutzung in der Neuzeit

Siliciumhaltige Verbindungen sind auch Bestandteile moderner Baumaterialen wie zum Beispiel Zement, Beton oder Glas. Im 19. Jahrhundert werden Stahl-, Zement- und Glasherstellung als Großindustrien entwickelt. Silicium dient dabei als Legierungsbestandteil, Flussmittel, Formsand und Sauerstoffschutz.

1947 entdecken John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, den Transistor, zunächst an einem Germaniumkristall. Es dauerte einige Zeit, bis das verbindungsfreudige Silicium in der für Halbleitereigenschaften notwendigen Reinheit isoliert werden konnte. 1956 entwickeln Robert Noyce bei Fairchild und Jack S. Kilby bei Texas Instruments unabhängig voneinander die integrierte Schaltung (IC) auf einem Silicium-Chip. Heutzutage stellt Silicium das Grundmaterial der meisten Produkte der Halbleiterindustrie dar. So dient es auch als Basismaterial für viele Sensoren und andere mikromechanischen Systeme (z. B. Hebelarm in einem Rasterkraftmikroskop). Silicium ist ebenfalls der elementare Bestandteil der meisten Photovoltaikelemente.

Im November 2005 wird von ersten erfolgversprechenden Versuchsergebnissen mit Siliciumlasern berichtet. Silicium wird als energiereicher Brennstoff in vielen Explosivstoffen verwendet.[3]

Vorkommen

Silicium in der unbelebten Natur

  Die gesamte Erde besteht zu etwa 15 Gewichtsprozent aus Silicium; insbesondere der Erdmantel setzt sich zu einem beträchtlichen Anteil aus silikatischen Gesteinsschmelzen zusammen. Die Erdkruste besteht zu etwa 25,8 Gewichtsprozent aus Silicium; damit ist es das zweithäufigste chemische Element nach dem Sauerstoff. Hier tritt Silicium im wesentlichen in Form silikatischer Minerale oder als reines Siliciumdioxid auf. So besteht Sand vorwiegend aus Siliciumdioxid. Quarz ist reines Siliciumdioxid. Viele Halbedelsteine und Schmucksteine bestehen aus Siliciumdioxid und mehr oder weniger Beimengungen anderer Stoffe, etwa Amethyst, Rosen- und Rauchquarz, Achat, Jaspis und Opal. Mit vielen Metallen bildet Silicium Silikate aus. Beispiele für silikathaltige Gesteine sind Glimmer, Asbest, Ton, Schiefer, Feldspat und Sandstein. Auch die Weltmeere stellen ein gewaltiges Reservoir an Silicium dar: In Form der monomeren Kieselsäure ist es in allen Ozeanen in beträchtlichen Mengen gelöst.

Silicium in der belebten Natur

Neben der bereits erwähnten essentiellen Natur des Siliciums gibt es eine Reihe von Lebewesen, die siliciumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. Am bekanntesten sind dabei die Kieselalgen (Diatomeen), welche sich durch enzymkatalysierte Kondensation von Orthokieselsäure Si(OH)4 ein Exoskelett aus Siliciumdioxid aufbauen. Auch viele Pflanzen enthalten in ihren Stängeln und Blättern Siliciumdioxid. Bekannte Beispiele sind hier der Schachtelhalm und die Bambuspflanze. Durch das aufgebaute Siliciumdioxidgerüst erhalten diese zusätzliche Stabilität. In der Fauna bilden auch viele Schwämme und Radiolarien Exoskelette aus Siliciumdioxid.

Gewinnung im Labor

Elementares Silicium kann im Labormaßstab durch Reduktion, ausgehend von Siliciumdioxid oder Siliciumtetrafluorid, mit unedlen Metallen gewonnen werden. Bei Reaktion 2.) handelt es sich um ein aluminothermisches Verfahren, welche jedoch nur unter Zusatz von elementarem Schwefel funktioniert, die dritte Route entspricht der Elemententdeckung:

1.) \ \mathrm{SiO_2 + 2 \ Mg \longrightarrow Si + 2 \ MgO}
2.) \ \mathrm{3 \ SiO_2 + 4 \ Al \longrightarrow 3 \ Si + 2 \ Al_2O_3}
3.) \ \mathrm{3 \ SiF_4 + 4 \ Al \longrightarrow 3 \ Si + 4 \ AlF_3}


Hochreaktives amorphes Silicium kann durch Reduktion mit Natrium oder Acidolyse von Siliciden erhalten werden:

1.) \ \mathrm{SiCl_4 + 4 \ Na \longrightarrow Si + 4 \ NaCl}
2.) \ \mathrm{3 \ CaSi_2 + 6 \ HCl \longrightarrow 6 \ Si + 3 \ CaCl_2 +  3 \ H_2}

Gewinnung in der Industrie

Elementares Silicium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung in der Metallurgie (Ferrosilicium), der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips). Demgemäß ist es in der Wirtschaft gebräuchlich, elementares Silicium anhand unterschiedlicher Reinheitsgrade zu klassifizieren. Man unterscheidet Simg (metallurgical grade, Rohsilicium, 98–99 % Reinheit), Sisg (solar grade, Solarsilicium, 99,99 % Reinheit) und Sieg (electronic grade, Halbleitersilicium, Verunreinigungen <1 ppb).

Rohsilicium

Im industriellen Maßstab wird elementares Silicium durch die Reduktion von Siliciumdioxid mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C gewonnen.

\mathrm{SiO_2 + 2 \ C \longrightarrow Si + 2 \ CO}

Von diesem industriellen Rohsilicium (Simg) wurden im Jahre 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen hergestellt. Es ist für metallurgische Zwecke ausreichend sauber und findet Verwendung als Legierungsbestandteil für Weißblech und Stähle (Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit) sowie als Ausgangsstoff für die Silanherstellung über das Müller-Rochow-Verfahren, welche schließlich vor allem zur Herstellung von Silikonen dienen. Zur Herstellung von Ferrosilicium für die Stahlindustrie (Desoxidationsmittel im Hochofenprozess) wird zweckmäßigerweise nachfolgende Reaktion unter Anwesenheit von elementarem Eisen durchgeführt.

\mathrm{SiO_2 + 2 \ C + Fe \longrightarrow FeSi + 2 \ CO}

Solarsilicium

  Für photovoltaische Anwendungen muss das Rohsilicium jedoch weiter zum Solarsilicium (Sisg) gereinigt werden. Dazu wird es im Siemens-Verfahren zunächst mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 300–350 °C in einem Wirbelschichtreaktor zu Trichlorsilan (Silicochloroform) umgesetzt.

\mathrm{Si + 3 \ HCl \longrightarrow H_2 + HSiCl_3}

Nach aufwendigen Destillationsschritten wird das Trichlorsilan in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliciumstäben bei 1000–1200 °C wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silicium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Als Nebenprodukt fällt Siliciumtetrachlorid an, welches entweder zu Trichlorsilan umgesetzt und in den Prozess zurückgeführt oder in der Sauerstoffflamme zu pyrogener Kieselsäure verbrannt wird.

Eine chlorfreie Alternative zu obigem Verfahren stellt die Zersetzung von Monosilan dar, welches ebenfalls aus den Elementen gewonnen werden kann und nach einem Reinigungsschritt an beheizten Oberflächen oder beim Durchleiten durch Wirbelschichtreaktoren wieder zerfällt.

\mathrm{SiH_4 \longrightarrow 2 \ H_2 + Si}

Das auf diesen Wegen erhaltene polykristalline Silicium (Polysilicium) ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von über 99,99 %. In der Solartechnik werden genau wie beim Einsatz in der Mikroelektronik die halbleitenden Eigenschaften des Siliciums ausgenutzt.

Nur noch von historischem Interesse ist ein Verfahren, das früher von der Firma DuPont angewendet wurde. Es basierte auf der Reduktion von Tetrachlorsilan mit elementarem Zinkdampf bei Temperaturen von 950 °C.

\mathrm{SiCl_4 +  2 \ Zn \longrightarrow Si + 2 \ ZnCl_2}

Aufgrund technischer Probleme und dem in großen Mengen anfallendem Zinkchloridabfall wird dieses Verfahren jedoch heute nicht mehr angewendet.

Halbleitersilicium

  Für Anwendungen in der Mikroelektronik wird hochreines, monokristallines Halbleitersilicium (Sieg) benötigt. Insbesondere müssen Verunreinigung mit Elementen, welche auch als Dotierelemente geeignet sind, mittels des Tiegelziehens oder Zonenschmelzens unterhalb kritischer Werte gebracht werden.

Beim Tiegelziehen (Czochralski-Verfahren) wird das im Siemensverfahren erhaltene Solarsilicium in Quarztiegeln geschmolzen. Ein Impfkristall aus hochreinem monokristallinen Silicium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silicium in monokristalliner Form auf dem Kristall auskristallisiert und dadurch fast alle Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist die Schmelzpunkterniedrigung und Neigung von Stoffen, möglichst rein zu kristallisieren.

Alternativ wird beim Zonenschmelzen mit Hilfe einer (ringförmigen) elektrischen Induktionsheizung eine Schmelzzone durch einen Siliciumstab gefahren, wobei sich ein Großteil der Verunreinigungen in der Schmelze löst und mitwandert.

Hochreines kristallines Silicium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik. Alle gängigen Computerchips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silicium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silicium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Indium, Antimon, Arsen, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silicium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silicium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung Silicon Valley („Silicium-Tal“) für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Wichtigkeit des Siliciums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.

Amorphes Silicium kann mit Hilfe von Excimerlasern in polykristallines Silicium umgewandelt werden. Dies ist für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (Thin-Film-Transistor, TFT) für Flachbildschirme von zunehmender Bedeutung.

 

Hersteller

Weltweit stellen aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und langen Bauzeiten für die notwendigen Öfen nur wenige Firmen Rohsilicium her.

Die größten Produzenten für metallurgisches Silicium sind

  1. Elkem (N, USA)
  2. Invensil (F, USA) [4]
  3. Globe Metallurgical (USA)
  4. Rima Metal (Br)
  5. Siltronic AG (D) - früher Wacker-Siltronic AG

Es gibt noch ca. 15 andere große Produzenten. In der VR China gibt es eine Reihe kleinerer Werke, im Ländervergleich ist sie daher der größte Produzent. [5]

Die Hauptproduzenten von Reinstsilicium für die Elektronik- und Solarindustrie mit einer Reinheit von über 99,9999 % sind Wacker-Chemie aus Deutschland, die REC Gruppe aus Norwegen, Hemlock aus den USA, Tokuyama sowie ASiMI aus Japan (Stand 2004/2005).

Silicium ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Hochreines Silicium für die Anwendung in Solarpanelen oder in Halbleiterkomponenten wird in der Regel in Form von dünnen Scheiben aus Ein-Kristallen, sogenannten Silicium-Wafern, produziert.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

  Silicium ist wie die im Periodensystem benachbarten Germanium, Gallium, Phosphor und Antimon ein Elementhalbleiter. Der gemäß dem Bändermodell geltende energetische Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband beträgt 1,107 eV (bei Raumtemperatur). Durch Dotierung mit geeigneten Dotierelementen wie beispielsweise Bor oder Arsen kann die Leitfähigkeit um einen Faktor 106 gesteigert werden. In solchermaßen dotierten Silicium ist die durch die von Fremdatomen und Gitterdefekten verursachte Störstellenleitung deutlich größer als die der Eigenleitung, weshalb derartige Materialien als Störstellenhalbleiter bezeichnet werden. Der Gitterparameter beträgt 543 pm.

Die von der Wellenlänge des Lichts abhängige komplexe Brechzahl ist im nebenstehenden Bild dargestellt [6] [7]. Auch hier lassen sich Informationen über die Bandstruktur ablesen. So erkennt man anhand des stark steigenden Verlaufs des Absorptionskoeffizienten k einen direkten Bandübergang bei 370 nm (EΓ1 = 3,4 eV). Ein weiterer direkter Bandübergang ist bei ~ 300 nm (EΓ2 = 4,2 eV) zu beobachten. Der indirekte Bandübergang von Silicium (Eg = 1,1 eV) kann nur erahnt werden. Dass weitere indirekte Bandübergänge vorhanden sind, ist an der weit auslaufenden Kurve von k für Wellenlängen > 400 nm erkennbar.

Chemische Eigenschaften

In allen in der Natur auftretenden und in der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silicium ausschließlich Einfachbindungen aus. Die Stabilität der Si-O-Einfachbindung im Gegensatz zur C-O-Doppelbindung ist auf ihren partiellen Doppelbindungscharakter zurückzuführen, der durch Überlappung der freien Elektronenpaare des Sauerstoffs mit den leeren d-Orbitalen des Siliciums zustandekommt. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel, wonach Silicium als Element der 3. Periode keine Mehrfachbindungen ausbildet, muss mittlerweile jedoch als überholt angesehen werden, da inzwischen eine Vielzahl synthetisch hergestellter Verbindungen mit Si-Si-Doppelbindungen bekannt sind. Im Jahre 2004 wurde die erste Verbindung mit einer formalen Si-Si-Dreifachbindung strukturell charakterisiert.

Isotope

Silicium hat eine Vielzahl bekannter Isotope, mit Massenzahlen zwischen 22 und 44. 28Si, das in der Natur am häuftigsten vorkommende Isotop mit einem Anteil von 92,23 %, 29Si (4,67 %) sowie 30Si (3,1 %) sind stabil. 32Si ist ein radioaktives Isotop, das beim Argon-Zerfall entsteht. Seine Halbwertszeit beträgt rund 132 Jahre, es zerfällt durch Beta-Strahlung zu 32P, das mit einer Halbwertszeit von 14,28 Tagen zu 32S zerfällt.

Sicherheit

Silicium ist als Pulver wie viele Elemente brennbar. Als Pulver und Granulat ist es reizend. Kompaktes Silicium ist ungefährlich.

Hydriertes, das heißt oberflächlich mit Wasserstoff bedecktes, poröses Silicium kann unter Lasereinstrahlung und Zunahme von Sauerstoff hochexplosiv sein [3][8], wie Forscher der Technischen Universität München zufällig entdeckt haben. Sprengungen im Mikrometerbereich sind möglich. Die Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsenergie sind höher als bei TNT und Dynamit. Ob diese Eigenschaft in Zukunft technisch genutzt werden oder sogar das Dynamit ersetzen kann, ist allerdings noch fraglich. Denn um poröses Silicium reaktionsfähig zu machen, sind Temperaturen von unter -180 °C erforderlich. Die Verwendung von flüssigem Sauerstoff steigert den Effekt noch, da durch bessere Versorgung der hydrierten Siliciumoberfläche mit Sauerstoff eine vollständige Verbrennung sowohl des Siliciums als auch des Wasserstoffs (Knallgas-Reaktion) erreicht wird. Mögliche Einsatzgebiete wären im Weltraum zu suchen, wo derartig tiefe Temperaturen vorherrschen. Durch die hohe Präzision ließen sich z. B. Satelliten vom Mutterschiff abtrennen. Denkbar wäre ein Einsatz auch in der Automobilindustrie zur schnelleren Zündung von Airbags.

Silicium-Kreislauf

Silikatische Mineralien werden permanent durch Reaktion mit der Kohlensäure des Wassers zu Metakieselsäure und Carbonaten abgebaut, wie am Beispiel des Kalziumsilikats gezeigt werden kann:

\mathrm{CaSiO_3 + H_2CO_3 \longrightarrow CaCO_3 + SiO(OH)_2}

Die Metakieselsäure reagiert weiter mit Kohlensäure zu löslicher Kieselsäure:

\mathrm{SiO(OH)_2 + H_2CO_3 \longrightarrow Si(OH)_4 + CO_2}

Allerdings zerfällt Kieselsäure schnell wieder zu Siliciumdioxid und Wasser. Deshalb muss es immer wieder durch Kohlensäure neugebildet werden oder in wasserlösliche Silikate überführt werden.

Durch Einbau von Kieselsäure oder wasserlöslichen Silikaten in Meeresorganismen (1.), die nach dem Absterben auf den Meeresboden sedimentieren, Vulkanismus und Austritt von Magma am Meeresboden werden die silikatischen Mineralien wieder zurückgebildet (2.), und der Kreislauf ist geschlossen:

1.) \ \mathrm{Si(OH)_4 \longrightarrow SiO_2 + 2 \ H_2O}
2.) \ \mathrm{CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3}

Der Zeithorizont, in dem dieser Prozess stattfindet, beträgt mehrere Millionen Jahre, ist also beträchtlich länger als im Fall des Kohlenstoffkreislaufs der belebten Natur.

Silicium als Energieträger

Kaum bekannt ist, dass Silicium ähnlich wie Wasserstoff als Energieträger der Zukunft verwendet werden könnte. So kann Sand unter Energiezufuhr in Silicium und Sauerstoff aufgespalten werden. Das Silicium kann transportiert und an anderer Stelle zur Energiegewinnung verbrannt werden. Als Verbrennungsprodukt entsteht lediglich wieder Siliciumdioxyd in Form von Sandstaub. Es ist auch möglich, brennbare Flüssigkeiten, so genannte Silane, aus Silicium herzustellen.

Verbindungen

Silicium tritt in chemischen Verbindungen fast immer vierwertig auf. Demgemäß ist das Siliciumatom in Verbindungen in der Regel vierfach koordiniert. Daneben existieren aber mittlerweile eine Reihe von Verbindungen, in denen Silicium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist.

Neben dem vierwertigen Silicium sind auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliciums (Silylene) bekannt, die jedoch meistens sehr instabil sind. Von größerer Bedeutung ist einzig das Siliciummonoxid, das vor allem in der optischen Industrie Verwendung findet.

Silicium stellt in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar, obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silicium existieren. Dabei handelt es sich meistens um Silicide.

 

Besonders erwähnenswert ist die Inversion der Bindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang von Kohlenstoff zum Silicium. Hier ändert sich die Elektronegativitätsdifferenz von +0,45 (Kohlenstoff-Wasserstoff) auf -0,2, weshalb Siliciumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität als Kohlenwasserstoffe aufweisen.

Daneben bildet Silicium in den Siliciden auch echte Anionen aus.

Die gesamte Chemie des Siliciums ist im Wesentlichen durch die hohe Affinität des Siliciums zum Sauerstoff geprägt.

Die wichtigsten Verbindungen des Siliciums kann man in folgende Klassen einteilen, von denen jeweils einige Vertreter genannt sind.

   
Binäre Verbindungen
Silikate
Siliciumhalogenide
Siliciumwasserstoffe
Organische Siliciumverbindungen
Polymere Siliciumverbindungen

Werden SiO4-Tetraeder durch organische Reste modifiziert und polymerisiert, erhält man die Silikone (Silicone), die zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen gehören. Diese polymeren Silicium-Sauerstoff-Verbindungen (Silikone) finden Anwendung in vielen Bereichen; so dienen sie als Schmiermittel und Dichtstoffe in der Kosmetik- und Bauindustrie.

  • Silikone (Silicone, Polyorganosiloxane)
  • Polysilane, -carbosilane, -carbosilazane, -carbosiloxane

Sonstiges

Falscher Freund

Bis zum Ende der 80er Jahre kam es oft vor, dass das englische Wort „silicon“ in populärwissenschaftlichen Artikeln oder bei Filmsynchronisationen, beispielsweise in der Science-Fiction-Serie „Star Trek“, dem James-Bond-Agententhriller „Im Angesicht des Todes“ oder in der Zeichentrickserie „Die Simpsons“, als Silikon übersetzt wurde. Beispiel: „Besteht die Lebensform aus Kohlenstoff oder aus Silikon?“ Erst in den 1990er Jahren wurden die Übersetzungsstudios darauf aufmerksam, dass „Silicon“ übersetzt Silicium heißt, jedoch findet man auch heute noch oftmals diesen falschen Freund in den Medien wieder. (Das englische Wort für Silikon heißt „silicone“.)

Siehe auch

Quellen

  1. a b Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar) für Granulat
  2. a b Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar) für Pulver
  3. a b Koch, Ernst-Christian ; Clément, Dominik: Special Materials in Pyrotechnics: VI. Silicon - An Old Fuel with New Perspectives. In: Propellants Explosives Pyrotechnics 32 (2007), Nr. 3, S. 205–212
  4. nach eigenen Angaben http://www.invensil.pechiney.com
  5. Minerals Yearbook: Silicon (Staatlicher US-Geo-Infoservice)
  6. Honsberg, Christiana ; Bowden, Stuart: Optical Properties of Silicon. – Überprüfungsdatum 2007-06-18
  7. Palik, Edward D.; Ghosh, Gorachand: Handbook of optical constants of solids. San Diego : Academic Press, 1998 – ISBN 0125444206
  8. Kovalev, D.; Timoshenko, V. Yu.; Künzner, N.; Gross, E.; Koch, F.: Strong explosive interaction of hydrogenated porous silicon with oxygen at cryogenic temperatures. In: Physical Review Letters 87 (2001), Nr. 6, S. 683011–683014

Literatur

  • Tracy L. Simpson, Benjamin E. Volcani: Silicon and siliceous structures in biological systems. Springer-Verlag, New York 1981. ISBN 0387905928 ISBN 3540905928 (engl.)
  • Thomas Thomson: On the Daltonian Theory of Definite Proportions in Chemical Combinations. Annals of Philosophy 2 (1813) 32-43.
 
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