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 Säure an. Hierbei erhielt er neben Fluorwasserstoff
auch Siliciumtetrafluorid. Dieses Gas hydrolysierte er zu Siliciumdioxid
und bildete Hexafluorokieselsäure nach der Formel 3 SiF4 + 2 H2O -->
SiO2 + 2 H2SiF6. In der Folgezeit versuchten mehrere Chemiker das Fluorkieselgas,
wie Berzelius Hexafluorkieselsäure nannte, in seine Bestandteile zu
zerlegen. Doch die Versuche führten nicht weiter. 1824 wiederholte
Berzelius einen Versuch, den Gay-Lussac und Thénard dreizehn Jahre
zuvor durchgeführt 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
Silicium gehört mit Kohlenstoff, Germanium,
Zinn und Blei zur Kohlenstoffgruppe und 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 und Silikate. Die
Erscheinungsformen der Silicium-Mineralien sind äußerst vielfältig.
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 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.
Eigenschaften
Silicium ist ein hartes, sprödes, dunkelgrau-glänzendes
Nichtmetall mit diamantähnliches 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 eine Zahl von 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 - 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 für Kieselalgen, Kieselschwämme
und Radiolarien, da es an deren Skelettaufbau beteiligt ist. Für die
meisten Organismen hat es biologische Bedeutung. Silicium-Mangel führt
bei Säugetieren zu Wachstumstörungen. - Für Quarz wurde
in Deutschland für den Arbeitsschutz ein Grenzwert von 0,15 mg/m3
und für quarzhaltigen Feinstaub von 4 mg/m3
(MAK) definiert.
Isotope
Silicium hat drei stabile Isotope, von denen Si-28
mit 92,23% den größten 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 längste Halbwertszeit. Am schnellsten zerfällt
Si-24 mit 103 Millisekunden.
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 Siliciumverbindung - das Siliciumdioxid
- dient als glasbildende Komponente in der Glasindustrie. Siliciumverbindungen
sind außerdem Bestandteile von Steingut, Porzellan und Zement. |