Silicium

Eigenschaften des Elements

Einordnung in das Periodensystem
der Elemente und Eigenschaften
Atombau
Ordnungszahl: 1414 Protonen
14 Elektronen
3. Periode3 besetzte Elektronenschalen
IV. Hauptgruppe4 Außenelektronen
Elektronenkonfiguration im GrundzustandNe 3s23p2
Elektronegativität1,8
Ionisierungsenergie in eV8,151
häufigste Oxidationszahlen4, -4
Atommasse des Elements in u28,09
Atomradius in 10- 1 0m1,17
Ionenradius in 10- 1 0m0,39 (+4)
Aggregatzustand im Normalzustandfest

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in Bild bei 25 °C2,33
Härte nach Mohs7,0
Schallgeschwindigkeit in Bild2206
Schmelztemperatur in °C1410
spezifische Schmelzwärme in Bild1409,25
Siedetemperatur in °C2680
spezifische Verdampfungswärme in Bild13640,57
Standardentropie S0 in Bild19
Wärmeleitfähigkeit in Bild bei 27 °C148
spezifische Wärmekapazität in Bild0,703
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3 Bild
spez. elektrischer Widerstand in Bild0,01
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre,
Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)
25,80

Bild
reines Silicium für die Elektroindustrie

Schalenmodell

Bild

Periode: 3 (M)
Hauptgruppe: IV
Außenelektronen: 4

Nuklide des Elements

Ordnungszahl ZMassenzahl AAtommasse in uHäufigkeit
in %
142827,976 92992,2%
2928,976 4964,7%
3029,973 7633,1%

Energieniveauschema

Bild

Weitere Eigenschaften

Silicium ist ein Halbleiterelement. Seine elektrische Leitfähigkeit wird mit zunehmender Temperatur größer. Reines Silicium besteht aus kubischen Kristallen, die je nach Größe dunkelgrau metallisch glänzen können oder hart und spröde sind. Da Silicium sehr unedel ist, bildet es mit Luftsauerstoff sofort eine feste Oxidschicht aus. Silicium ist wegen seiner undurchlässigen Oxidschicht in Wasser unlöslich. Auch die Reaktivität des Stoffs wird durch die Oxidschicht stark eingeschränkt. Erst ab etwa 1 000 °C verbrennt Silicium. Mit verschiedenen Laugen (Lösungen aus Hydroxiden und Wasser) reagiert Silicium nach Erwärmen zu Silicaten. Mit Halogenen bildet Silicium Halogenide. Silicium kann verschiedene Säuren bilden.

Entdeckung

Der schwedische Chemiker JÖNS JAKOB BERZELIUS isolierte 1823 erstmals das Element Silicium. Dies gelang ihm durch die Reduktion von Siliciumtetrafluorid. BERZELIUS nannte das neue Element «Silex» und gab ihm das Symbol «Si». Der heute gebräuchliche Name Silicium, wurde dem Element erst später gegeben.

Vorkommen/Herstellung

Silicium ist das zweithäufigste Element der Erde nach Sauerstoff. Es kommt in der Natrur nicht in reiner Form vor, hat aber im Bereich der Mineralien sehr große Bedeutung. Jede Tonne Gestein enthält durchschnittlich 277 kg chemisch gebundenes Silicium. Dagegen ist es in Steinmeteoriten mit einem Anteil von nur ca. 4 kg/t vertreten. Im Meerwasser sind Ionen des Elements sehr selten. Silicium-Minerale machen etwa 90 % der Erdkruste aus, wobei Siliciumdioxid die häufigste Form ist. In Quarzsand, Sandstein, Granit, Gneis und anderen Gesteinen ist Siliciumdioxid in kristalliner Form Hauptbestandteil. Reiner Quarz ist wasserklar und wird Bergkristall genannt. Durch natürliche Radioaktivität kann sich das Mineral dunkel färben und heißt dann Rauchquarz, wenn der Kristall fast schwarz erscheint, nennt man ihn Morion. Zu den kristallinen Quarzarten gehören auch sehr wertvolle Edelsteine. Hier wird das Siliciumdioxid durch verschiedene Einlagerungen gefärbt. Beispiele für solche siliciumhaltigen Edelsteine sind die durchscheinenden Kristalle wie der violette Amethyst, der rosafarbene Rosenquarz oder der zartgelbe Citrin, nicht durchscheinende Kristalle sind der rotbraune Jaspis, der dunkelgrüne Chrysopas, der rot-gelbe Carneol, der grüne Chalcedon oder der in verschiedenen Farben schimmernde Achat. Auch der schwarze Onyx gehört zur Gruppe der Quarze. Nicht kristallin, sondern amorph, d. h. von ungeordneter Struktur, ist der Opal, einer der teuersten Edelsteine der Welt. Silicium ist auch in anderen Verbindungen häufig anzutreffen. Die Silicate sind Salze der Kieselsäure. Außer Silicatgestein gehört in diese Gruppe auch der berühmte dunkelrote Granat, ein begehrter Edelstein. Er besteht aus einer Komplexverbindung mit Calcium-, Aluminium- und Silicat-Ionen. Feldspäte und Tone sind Verwitterungsprodukte von Gesteinen, die Siliciumverbindungen enthalten. Der Glimmer, ein Bestandteil des Granits, bildet mächtige Gesteinsschichten. Industriell wird Silicium durch Reduktion aus Siliciumdioxid (Quarz) mit Kohlenstoff (Koks), bei 2 000 °C im Lichtbogen hergestellt. Das gewonnene Rohsilicium wird anschließend gereinigt und mit komplizierten Verfahren zu polykristallinem Reinstsilicium umgewandelt. Für die Mikroelektronik werden Einkristalle benötigt, die durch Schmelzziehen des Reinstsiliciums produziert werden.

Verwendung

Hochreines Silicium ist in der Halbleitertechnik, Fotovoltaik und Mikroelektronik der wichtigste Rohstoff. Für Mikrochips wird Silicium mit einem so hohen Reinheitsgrad verwendet, dass auf eine Mrd. Siliciumatome nur ein Fremdatom kommt. Aus diesem Grund müssen die Labore, in denen industriell Silicium-Chips hergestellt werden, äußerst steril sein. Sie dienen u. a. als Grundlage für integrierte Schaltkreise. Technisches, also verunreinigtes Silicium findet als Reduktionsmittel in der Metallurgie Verwendung. Zudem ist es bedeutender Bestandteil verschiedener Legierungen, vor allem von Gusslegierungen einiger Metalle wie Titan, Eisen, Aluminium und Kupfer. Sie dienen der Produktion von Werkzeugen, Magneten und Federstählen.

Bau

Silicium kristallisiert in einer diamantartigen Struktur.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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