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Silikone
Periodensystem
Silizium Pulver

Silizium

Silizium (eigentlich/fachsprachlich Silicium) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14.
Silicium


Elemente:

Aluminium

Eisen



Inhaltsverzeichnis
1 Allgemeines
2 Geschichte
3 Vorkommen
4 Gewinnung und Verwendung
5 Reaktivität und Verbindungen
6 Sonstiges
7 Siehe auch


Allgemeines


Silizium (fachsprachlich Silicium geschrieben) steht in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) des Periodensystems der Elemente und zählt zu den Halbmetallen. Reines, elementares Silizium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typischen metallischen Glanz auf.

Es ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in grösseren Stücken erhältlich. Hochreines Silizium für Solarpanels oder Halbleiter weist einen typischen metallischen, bronzenen bis bläulichen Glanz auf.

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

Geschichte


In Jahr 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay Lussac und der französische Adlige Baron Louis-Jacques Thénard (vgl. Thenards Blau) vermutlich erstmals unreines und amorphes Silizium durch Umsetzung von Siliziumtetrafluorid mit elementarem Kalium her. 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 Silizium durch Waschen auf, erkannte als erster die elementare Natur des Siliziums und gab ihm auch seinen Namen. Der Begriff Silizium leitet sich vom lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silizium häufiger Bestandteil vieler Minerale ist. In der Tat ist Silizium mit einem Anteil von etwa 26 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und noch vor Aluminium das zweithäufigste Element der Erdkruste.



Der englische Begriff silicon wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thompson vorgeschlagen. Die Endung -on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen. Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliziums gelang im Jahre 1854 dem französischem Chemiker Etienne Henri Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.

Vorkommen


Silizium tritt in der Natur ausschliesslich als Oxid auf, und zwar entweder in Form von Siliziumdioxid oder in Form silikatischer Mineralien.

Wesentliches Bauelement aller Silizium-Sauerstoff-Verbindungen sind dabei immer SiO4-Tetraeder. Durch Polykondensation solcher SiO4-Tetraeder, die über gemeinsame Ecken, Kanten oder Flächen verknüpft werden, können komplexe Ketten, Ringe, Schichten und andere Vernetzungsmuster ausgebildet werden.

So bestehen Sand und Quarz vorwiegend aus Siliziumdioxid. Viele Halbedelsteine bestehen im wesentlichen aus Siliziumdioxid, etwa der Bergkristall, Amethyst, Rosen- und Rauchquarz, Achat, Jaspis und Opal. Beispiele für silikathaltige Mineralien sind Ton, Schiefer, Feldspat und Sandstein.

Neben der bereits erwähnten essentiellen Natur des Siliziums, gibt es eine Reihe von Lebewesen, die siliziumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. In der Fauna nutzen dies beispielsweise die Kieselalgen (Diatomeen), welche sich durch Kondensation von Monokieselsäure Si(OH)4 ein Exoskelett aus Siliziumdioxid aufbauen. Aus der Pflanzenwelt sei der Schachtelhalm erwähnt, welcher in seinen Blättern durch ein Siliziumdioxidgerüst zusätzliche Stabilität erhält. Siehe auch Kieselsäure.

Gewinnung und Verwendung


Elementares Silizium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung in der Metallurgie (Ferrosilizium), der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips). Demgemäss ist es in der Wirtschaft gebräulich, elementares Silizium anhand unterschiedlicher Reinheitsgrade zu klassifizieren. Man unterscheidet Simg (metallurgical grade, Rohsilizium, 98-99 % Reinheit), Sisg (solar grade, Solarsilizium, 99.99 % Reinheit) und Sieg (electronic grade, Halbleitersilizium, Verunreinigungen < 1 ppb).

Im industriellen Massstab ist elementares Silizium durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C erhältlich.

SiO_2 + 2 C rightarrow Si + 2 CO
Von diesem industriellen Rohsilizium (Simg) wurden im Jahr 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 Rochow-Verfahren, welche schliesslich im Wesentlichen zur Herstellung von Silikonen dienen. Zur Herstellung von Ferrosilizium für die Stahlindustrie (Desoxidationsmittel im Hochofenprozess) wird zweckmässigerweise obige Reaktion unter Anwesenheit von elementarem Eisen durchgeführt.

SiO_2 + 2 C + Fe rightarrow FeSi + 2 CO
Für photovoltaische Anwendungen muss das Rohsilizium jedoch weiter zum Solarsilizium (Sisg) gereinigt werden. Dazu wird es im Siemens-Verfahren zunächst mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 1100 °C in einem Wirbelschichtreaktor zu Trichlorsilan (Silicochloroform) umgesetzt.

Si + 3 HCl rightarrow H_2 + HSiCl_3
Bergkristall aus SiO_2
Bergkristall aus SiO2
Nach aufwändigen Destillationsschritten wird das Silicochloroform in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliziumstäben wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silizium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Als Nebenprodukte 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.

Eigenschaften

Aluminium - Silizium - Phosphor
Silizium im Periodensystem

Allgemein

Name, Symbol, Ordnungszahl Silizium, Si, 14
SerieHalbmetalle
Gruppe, Periode, Block14 (IVA), 3, p
Aussehendunkel grau, bläulicher Farbton

Atomar

relative Atommasse28,0855
Atomradius (berechnet)110 (111) pm
Kovalenter Radius111 pm
van der Waals-Radius210 pm
Elektronenkonfiguration[Ne]3s23p2
Elektronen pro Energieniveau2, 8, 4
Oxidationszustände (Oxide)4 (amphoter)
Elektronegativität1,90 (Pauling-Skala)
1. Ionisierungsenergie786,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie1577,1 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie3231,6 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie4355,5 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie16091 kJ/mol
6. Ionisierungsenergie19805 kJ/mol
7. Ionisierungsenergie23780 kJ/mol
8. Ionisierungsenergie29287 kJ/mol
9. Ionisierungsenergie33878 kJ/mol
10. Ionisierungsenergie38726 kJ/mol

Physikalisch

Aggregatzustandfest
KristallstrukturDiamant
Dichte (Mohshärte)2330 kg/m3 (6,5)
Magnetismusunmagnetisch
Schmelzpunkt1687 K (1414 °C)
Siedepunkt3173 K (2900 °C)
Molares Volumen12,06 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme384,22 kJ/mol
Schmelzwärme50,55 kJ/mol
Dampfdruck4,77 Pa bei 1683 K
Schallgeschwindigkeit
Longitudinalwelle:
Transversalwelle:
bei 293,15 K = 20 °C:
~8900 m/s
~5300 m/s

Verschiedenes

Spezifische Wärmekapazität700 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit25,2 · 10-4 S/m
Wärmeleitfähigkeit148 W/(m · K)

Isotope

Isotop NH t½ ZM ZE MeV ZP
28Si 92,23 % Si ist stabil mit 14 Neutronen
29Si 4,67 % Si ist stabil mit 15 Neutronen
Kernspin I=1/2, NMR-aktives Isotop
30Si 3,1 % Si ist stabil mit 16 Neutronen
32Si {syn.} 276 y Beta- 0,224 32p
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Metallurgisches Siliziumpulver
Metallurgisches Siliziumpulver

Polykristalines Silizium.jpg
Polykristalines Silizium

SiH_4 rightarrow 2 H_2 + Si
Das auf diesen Wegen erhaltene polykristalline Solarsilizium ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von > 99.99 %. Hier werden genau wie beim Einsatz in der Mikroelektronik die halbleitenden Eigenschaften des Siliziums ausgenutzt.

Um schliesslich hochreines, monokristallines Halbleitersilizium (Sieg) zu erhalten, wie in der Mikroelektronik benötigt, wird das Reinstsilizium in Quarztiegeln geschmolzen. Ein Impfkristall aus hochreinem Silizium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silizium kristallin auf dem Kristall wächst und nochmals Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Das Verfahren wird als Tiegelziehen oder Czochralski-Verfahren bezeichnet. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist die Schmelzpunkterniedrigung. Alternativ kann auch eine mit Hilfe einer elektrische Induktionsheizung eine Schmelzzone durch einen Siliziumstab gefahren werden, wobei sich ein Grossteil der Verunreinigungen in der Schmelze lösen und mitwandern (so genanntes Zonenschmelzen). Insbesondere die Verunreinigung mit Elementen, welche auch als Dotierelemente geeignet sind, müssen mithilfe des Zonenschmelzens oder des Tiegelziehens unterhalb kritischer Werte gebracht werden. Hochreines, kristallines Silizium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik. Alle gängigen Computer-Chips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Arsen, Antimon, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silizium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silizium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung silicon valley ("Silizium-Tal") für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Wichtigkeit des Siliziums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.

Reaktivität und Verbindungen


In allen in der Natur auftretenden und der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silizium ausschliesslich Einfachbindungen aus. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel, wonach Silizium 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 und eine Handvoll Verbindungen mit Si-Si-Dreifachbindungen bekannt sind.

Silizium tritt in chemischen Verbindungen in der Regel vierwertig auf, es sind allerdings auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene) bekannt. Demgemäss ist das Siliziumatom in Verbindungen in der Regel vierfach koordiniert. Daneben existieren aber mittlerweile eine Reihe von Verbindungen in denen Silizium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist.

Silizium stellt in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar, obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silizium existieren. Besonders erwähnenswert ist die Inversion der Bindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang von Kohlenstoff (Elektronegativität(EN=2,55)) zum Silizium (EN=1.9, (Wasserstoff, (EN)=2,1)), weshalb Siliziumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität als Kohlenwasserstoffe aufweisen.

Metallurgisches Siliziumpulver
Inversion der Bindungspolarität
Daneben bildet Silizium in den Siliciden auch echte Anionen aus.

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

binäre Verbindungen
  • Siliziumcarbid
  • Siliziumdioxid
  • Siliziumnitrid
  • Silicide
Silikate
  • Zirkon und alle anderen Silikate
Siliziumhalogenide
  • Siliziumtetrafluorid
  • Siliziumtetrachlorid
  • Trichlorsilan (Silicochloroform)
Siliziumwasserstoffe
  • Monosilan
  • Silane
Organische Siliziumverbindungen
  • Tetramethylsilan (TMS, NMR-Standard)
  • Methylchlorsilane (Bausteine für Silikone)
  • Phenylchlorsilan
Polymere Siliziumverbindungen
  • Silikone (Silicone, Polyorganosiloxane)
  • Polysilane
Metallurgisches Siliziumpulver
Monokristalines Halbleitersilizium


Sonstiges


Werden SiO4-Tetraeder durch organische Reste modifiziert und polymerisiert, erhält man die Silikone (Silicone), die zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen gehären. Silikone und Silizium selbst werden von Nichtfachleuten öfters verwechselt, da die englischen Namen (silicone und silicon) sehr ähnlich sind.

Poröses Silizium kann unter Lasereinstrahlung und in einer Luftatmosphäre hochexplosiv sein, wie Forscher der Technischen Universität München zufällig entdeckt haben. Allerdings waren dazu Temperaturen um den absoluten Nullpunkt notwendig. Ob diese Eigenschaft in Zukunft technisch genutzt werden oder sogar das Dynamit ersetzen kann, ist allerdings noch fraglich.

Siehe auch


Glas, Sand, Gestrecktes Silizium


Einordnung: Chemisches Element | Gruppe-14-Element | Periode-3-Element | Halbmetall
Siliziumtetrafluorid Polysilane
Polyorganosiloxane
Trichlorsilan polymerisiert
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Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Silizium aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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