Silicium

(lateinisch: silex, "Kieselstein") auch: Silizium; Silicon (internationaler Name);

chemisches Element der dritten Periode und der vierten Hauptgruppe des Periodensystems.

Silicium gehört mit Kohlenstoff, Germanium, Zinn und Blei zur Kohlenstoffgruppe.

Isotope

Silizium hat drei stabile Isotope, von denen Si-28 mit 92,23 Prozent den größten Anteil hat. Danach folgen Si-29 mit 4,67 Prozent und Si-30 mit 3,10 Prozent. Außerdem sind acht Radionuklide bekannt. Si-32 hat mit 101 Jahren die längste Halbwertszeit. Am schnellsten zerfällt Si-24 mit 103 Millisekunden.

Eigenschaften

Silicium ist ein hartes, sprödes, dunkelgrau-glänzendes Nichtmetall mit diamantähnlicher 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 Kristallgröße unterscheiden. Entsprechend der Mohs'schen Härteskala ordnet man dem Element die Ritzhärte 7 zu. Silicium ist ein typisches Halbleiter-Element, dessen Leitfähigkeit für elektrischen Strom mit zunehmender Temperatur größer wird. Durch die Dotierung mit Metallatomen lässt sich seine Leitfähigkeit steigern.

Durch die rasche Bildung einer schützenden Siliciumdioxidschicht ist das Element reaktionsträge. Kristallines Silicium hat eine geringere Reaktionsfähigkeit als amorphes. In Wasser ist das Element unlöslich. Auch Säuren - mit Ausnahme von salpetersäurehaltiger Flusssäure (HF) - greifen es nicht an. Mit erhitzten Laugen reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Die bevorzugte Oxidationsstufe ist +4. Die wichtigsten Silicium-Verbindungen sind: Siliciumdioxid (SiO2), Siliciumtetrafluorid (SiF4), Siliciumkarbid (SiC), die Silicate und die Silicone.

Vorkommen

Silicium ist nach Sauerstoff das häufigste Element der Erdkruste. Am Aufbau der Erdkruste ist es zu 27,8 Gewichtsprozent beteiligt. Es kommt natürlicherweise nicht elementar vor. Seine wichtigsten natürlichen Erscheinungsformen sind Siliciumdioxid (SiO2) und Silikate. Die Erscheinungsformen der Silicium-Mineralien sind äußerst vielfältig. Siliciumdioxid (SiO2) beispielsweise 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 darüber 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 erhält man durch thermische Zersetzung von ultrareinem Trichlorsilan (SiHCl3) in einer Wasserstoffatmosphäre.

Verwendung

Silicium ist der wichtigste Grundstoff der Halbleitertechnik. Aus ihm werden Computermikrochips, Transistoren und Solarzellen hergestellt. Für diese Anwendungen muss es in höchster Reinheit produziert werden. Die Weltproduktion von höchstreinem Silicium liegt bei 5000 Tonnen pro Jahr. Die wichtigste Siliziumverbindung - das Siliciumdioxid (SiO2) - dient als glasbildende Komponente in der Glasindustrie. Siliciumverbindungen sind außerdem Bestandteile von Steingut, Porzellan und Zement.

Biologische Bedeutung

Silicium ist essenziell für Kieselalgen, Kieselschwämme und Radiolarien, da es an deren Skelettaufbau beteiligt ist. Für die meisten Organismen hat es biologische Bedeutung. Siliciummangel führt bei Säugetieren zu Wachstumsstörungen.

Für Quarz wurde in Deutschland für den Arbeitsschutz ein Grenzwert von 0,15 mg/m3 und für quarzhaltigen Feinstaub von vier mg/m3 (MAK) definiert.

6. Geschichte

Obwohl bereits seit der Antike Quarzsande zur Glasherstellung benutzt wurden, war man sich des zu Grunde liegenden Stoffes lange Zeit nicht bewusst. 1771 stellte Scheele erste umfangreiche Untersuchungen an Flussspat (CaF2) und dessen Säure an. Hierbei erhielt er neben Fluorwasserstoff (HF) auch Siliciumtetrafluorid (SiF4). Dieses Gas hydrolysierte er zu Siliciumdioxid (SiO2) und bildete Hexafluorokieselsäure (H2SiF6). In der Folgezeit versuchten mehrere Chemiker, das Fluorkieselgas, wie Berzelius Hexafluorkieselsäure nannte, in seine Bestandteile zu zerlegen, was jedoch zu keinen weiteren Ergebnissen führte. 1824 wiederholte Berzelius einen Versuch, den Gay-Lussac und Thénard dreizehn Jahre zuvor durchgeführt hatten, indem er Siliciumtetrafluorid (SiF4) mit Kalium erhitzte. Hierdurch erhielt er schließlich eine Substanz, bei der es sich um amorphes Siliciumpulver handelte. 1865 reduzierte der russische Chemiker Bektow Siliciumtetrachlorid (SiCl4) mit dampfförmigem Zink und erhielt wesentlich reineres Silicium.