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Silizium

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Einordnung: Chemisches Element | Gruppe-14-Element | Periode-3-Element | Halbmetall

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


Eigenschaften
Aluminium - Silizium - Phosphor
C
Si
Ge  
 
 
[Ne]3s23p2
14
14
Si
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Silizium, Si, 14
Serie Halbmetalle
Gruppe, Periode, Block 14 (IVA), 3, p
Dichte, Mohshärte 2330 kg/m3, 6,5
Aussehen dunkel grau,
bläulicher Farbton
Atomar
Atomgewicht 28,0855 amu
Atomradius (berechnet) 110 (111) pm
Kovalenter Radius 111 pm
van der Waals-Radius 210 pm
Elektronenkonfiguration [Ne]3s2 3p2
e- 's pro Energieniveau 2, 8, 4
Oxidationszustände (Oxid) 4 (amphoter)
Kristallstruktur Diamant
Physikalisch
Aggregatzustand (Magnetismus) fest (unmagnetisch)
Schmelzpunkt 1687 K (1414 °C)
Siedepunkt 3173 K (2900 °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
Longitudinalwelle:
Transversalwelle: 		bei 293,15 K = 20 °C:
~8900 m/s
~5300 m/s
Verschiedenes
Elektronegativität 1,90 (Pauling-Skala)
Spezifische Wärmekapazität 700 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 2,52 10-4/m Ohm
Wärmeleitfähigkeit 148 W/(m · K)
1. Ionisierungsenergie 786,5 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1577,1 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3231,6 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 4355,5 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie 16091 kJ/mol
6. Ionisierungsenergie 19805 kJ/mol
7. Ionisierungsenergie 23780 kJ/mol
8. Ionisierungsenergie 29287 kJ/mol
9. Ionisierungsenergie 33878 kJ/mol
10. Ionisierungsenergie 38726 kJ/mol
Stabilste Isotope
Isotop NH t1/2 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
SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt,
sofern nicht anders angegeben.


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

Allgemeines

Silizium 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.

Silizium tritt in chemischen Verbindungen in der Regel vierwertig auf, es existieren allerdings auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene). Obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silicium existieren (Silicide), stellt Silicium in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar. Die gesamte Chemie des Siliziums ist im Wesentlichen durch die hohe Affinität des Siliziums zum Sauerstoff geprägt.

Geschichte

Silizium (fachsprachlich Silicium geschrieben) in unreiner, amorpher Form wurde erstmals 1824 von Jöns Jakob Berzelius in Schweden durch Umsetzung eines Hexafluorosilikates mit elementarem Kalium hergestellt. Berzelius erkannte auch die elementare Natur des Siliziums und gab ihm 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 Verwandschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen. Die erstmalige Herstellung reinen 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 Siliciumdioxid, 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).

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

<math>SiO_2 + 2 C \rightarrow Si + 2 CO<math>

Auf diese Weise wurden im Jahr 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen industrielles Rohsilizium (Reinheit 98-99 %) 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.

<math>SiO_2 + 2 C + Fe \rightarrow FeSi + 2 CO<math>

Für Solaranwendungen oder für den Gebrauch in der Mikroelektronik muß das Rohsilizium jedoch weiter aufgereinigt werden. Dazu wird es im Siemens-Verfahren zunächst mit gasförmigen Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan (Silicochloroform) umgesetzt.

<math>Si + 3 HCl \rightarrow H_2 + HSiCl_3<math>

Nach aufwändigen Destillationsschritten wird das Silicochloroform in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliciumstäben wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silicium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Das so erhaltene polykristalline Silizium ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von > 99.99 %. Eine 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.

<math>SiH_4 \rightarrow 2 H_2 + Si<math>

Um schließlich hochreines, monokristallines Silicium zu erhalten, wie es in der Mikroelektronik benötigt wird, wird das auf obigem Weg erhaltene Reinsilizium 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 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 Schmelzzone (elektrische Heizung) durch einen nach dem Siemensverfahren gewonnenen Siliziumstab gefahren werden, wobei sich die Verunreinigungen in der Schmelze lösen und mitwandern (so genanntes Zonenschmelzen).

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.

Eine weitere wichtige Anwendung von Silizium findet sich in der Fotovoltaik, also Solarzellen. Hier werden ebenfalls die halbleitenden Eigenschaften des Siliziums ausgenutzt.


Verbindungen

binäre Verbindungen

Silikate

Siliciumhalogenide

Siliziumwasserstoffe

Organische Siliziumverbindungen

Polymere Siliziumverbindungen

Sonstiges

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

Siehe auch

Glas, Sand, Gestrecktes Silizium






Info Hinweis: Dieser Artikel basiert auf dem Ursprungsartikel Silizium aus der Wiki pedia und er steht unter der GNU-Lizenz link fuer freie Dokumentation, eine Autoren-Liste ist ebenfalls verfuegbar.
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