Silicium

  • Symbol: Si
  • Ordungszahl: 14

IV. Hauptgruppe (Kohlenstoffgruppe)

Namensbedeutung

silex (lat.): Kieselstein (engl.: Silicon)

Entdeckung

Obwohl bereits seit der Antike Quarzsande zur Glasherstellung benutzt wurden, war man sich des zugrunde liegenden Stoffes lange Zeit nicht bewußt. 1771 stellte Scheele erste umfangreiche Untersuchungen an Flußspat und dessen SĂ€ure an. Hierbei erhielt er neben Fluorwasserstoff auch Siliciumtetrafluorid. Dieses Gas hydrolysierte er zu Siliciumdioxid und bildete HexafluorokieselsĂ€ure nach der Formel 3 SiF4 + 2 H2O –> SiO2 + 2 H2SiF6. In der Folgezeit versuchten mehrere Chemiker das „Fluorkieselgas“, wie Berzelius HexafluorkieselsĂ€ure nannte, in seine Bestandteile zu zerlegen. Doch die Versuche fĂŒhrten nicht weiter. 1824 wiederholte Berzelius einen Versuch, den Gay-Lussac und ThĂ©nard dreizehn Jahre zuvor durchgefĂŒhrt hatten, indem er Siliciumtetrafluorid mit Kalium erhitzte. Die Reaktionsprodukte wusch er ausgiebig mit Wasser und erhielt, nachdem er Kaliumfluorid und Fluorosilicat entfernt hatte, eine Substanz, bei der es sich um amorphes Siliciumpulver handelte. 1865 reduzierte der russische Chemiker Bektow Siliciumtetrachlorid mit dampfförmigen Zink und erhielt wesentlich reineres Silicium.

Vorkommen

HĂ€ufigkeiten in % in ppm
Weltall 0,065 650
Sonne 0,083 830
Erdkruste 27,0 272000
Meer 0,0001 1
Mensch 0,0050 50

Silicium gehört mit Kohlenstoff, Germanium, Zinn und Blei zur Kohlenstoffgruppe und ist nach Sauerstoff das hĂ€ufigste Element der Erdkruste. Am Aufbau der Erdkruste ist es zu 27,8 Gewichtsprozent beteiligt. Es kommt natĂŒrlicherweise nicht elementar vor. Seine wichtigsten natĂŒrlichen Erscheinungsformen sind Siliciumdioxid und Silikate. Die Erscheinungsformen der Silicium-Mineralien sind Ă€ußerst vielfĂ€ltig. Siliciumdioxid bespielsweise tritt je nach Reinheit und Kristallhabitus in Form von Sand, Quarz, Bergkristall, Kiesel und Feuerstein sowie als Halbedelstein bzw. Edelstein Achat, Jaspis und Opal auf. Siliciumdioxid ist darĂŒber hinaus Bestandteil von Gesteinsarten wie Granit oder Gneis. Weitere Silicium-Mineralien sind: Granat, Koalinit, Olivin, Phenakit, Spodumen, Talk und Serpentin. − Das Element in Reinform wird gewöhnlich durch Reduktion von Siliciumdioxid mit Kohle, Magnesium oder Aluminium gewonnen. Hochreines Silicium erhĂ€lt man durch thermische Zersetzung von ultrareinem Trichlorsilan (SiHCl3) in einer WasserstoffatmosphĂ€re.

Eigenschaften

Silicium ist ein hartes, sprödes, dunkelgrau-glĂ€nzendes Nichtmetall mit diamantĂ€hnliches Gitterstruktur. Je nach Art der Herstellung kann man Silicium aber auch als amorphes Pulver erhalten. Bei kristallinem und amorphem Silicium handelt es sich nicht um zwei Modifikationen, da sie sich nicht in der Kristallstruktur, sondern nur in der KristallgrĂ¶ĂŸe unterscheiden. Entsprechend der Mohs’schen HĂ€rteskala ordnet man dem Element eine Zahl von 7 zu. Silicium ist ein typisches Halbleiter-Element, dessen LeitfĂ€higkeit fĂŒr elektrischen Strom mit zunehmender Temperatur grĂ¶ĂŸer wird. Durch die Dotierung mit Metallatomen lĂ€ĂŸt sich seine LeitfĂ€higkeit steigern. − Durch die rasche Bildung einer schĂŒtzenden Siliciumdioxidschicht ist das Element reaktionstrĂ€ge. Kristallines Silicium hat eine geringere ReaktionsfĂ€higkeit als amorphes. In Wasser ist das Element unlöslich. Auch SĂ€uren − mit Ausnahme von salpetersĂ€urehaltiger FlußsĂ€ure − greifen es nicht an. Mit erhitzten Laugen reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Die bevorzugte Oxidationsstufe ist +4. Die wichtigsten Silicium-Verbindungen sind: Siliciumdioxid (Quarz), Siliciumtetrafluorid, Siliciumcarbid, die Silicate und die Silicone.

Biologische Bedeutung

Silicium ist essentiell fĂŒr Kieselalgen, KieselschwĂ€mme und Radiolarien, da es an deren Skelettaufbau beteiligt ist. FĂŒr die meisten Organismen hat es biologische Bedeutung. Silicium-Mangel fĂŒhrt bei SĂ€ugetieren zu Wachstumstörungen. − FĂŒr Quarz wurde in Deutschland fĂŒr den Arbeitsschutz ein Grenzwert von 0,15 mg/m3 und fĂŒr quarzhaltigen Feinstaub von 4 mg/m3 (MAK) definiert.

Isotope

Silicium hat drei stabile Isotope, von denen Si-28 mit 92,23% den grĂ¶ĂŸten Anteil hat. Danach folgen Si-29 mit 4,67% und Si-30 mit 3,10%. Außerdem sind acht Radionuklide bekannt. Si-32 hat mit 101 Jahren die lĂ€ngste Halbwertszeit. Am schnellsten zerfĂ€llt Si-24 mit 103 Millisekunden.

Verwendung

Silicium ist der wichtigste Grundstoff der Halbleitertechnik. Aus ihm werden Computermikrochips, Transistoren und Solarzellen hergestellt. FĂŒr diese Anwendungen muß es in höchster Reinheit produziert werden. Die Weltproduktion von höchstreinem Silicium liegt bei 5000 Tonnen pro Jahr. Die wichtigste Siliciumverbindung − das Siliciumdioxid − dient als glasbildende Komponente in der Glasindustrie. Siliciumverbindungen sind außerdem Bestandteile von Steingut, Porzellan und Zement.

Elementdaten

  • Silicium (OZ: 14)
  • IV. Hauptgruppe
  • Kohlenstoffgruppe

Normalzustand

  • Feststoff – Nichtmetall, hart, spröde, dunkelgrau-glĂ€nzend, diamantĂ€hnliches Gitter
  • CAS-Nummer: 7440-21-3
  • Kernladungszahl: 14
  • rel. Atommasse: 28,0855
  • Kernladung: 4,15

Radien

  • Atomradius: 117,0 pm
  • Ionenradius: 26 (+4) pm
  • Kovalenzradius: 117 pm
  • Konfiguration: [Ne] 3sÂČ 3pÂČ
  • Oxidationszahlen: 4, -4
  • Ionisierungseng.: 8,151
  • Dichte: 2,33 g/cmÂł

ElektronegativitÀt

  • Pauling: 1,90
  • Allred & Rochow: 1,7
  • Pearson: 4,77 eV

Temperatur

  • Schmelzpunkt: 1683.0 K (1410 °C)
  • Siedepunkt: 2628.0 K (2355 °C)

NatĂŒrliche Isotope

  • Si-32: 92,23%, Si-33: 4,67%, Si-34: 3,10%

Entdeckung

  • 1823, Berzelius, Schweden