Silizium als Element - Technische Daten

Chemische Eigenschaften

Silizium ist ein halbmetallisches Element der 4. Hauptgruppe des Periodensystems, mit den natürlichen Isotopen ²⁸Si bis ³⁰Si. Außerdem sind noch künstliche Isotope mit Halbwertszeiten zwischen 0,23 Sekunden und ca. 105 Jahren (³²Si) bekannt. Silizium tritt in seinen Verbindungen hauptsächlich 4-wertig, seltener auch 1-, 2- und 3-wertig auf. Reines kristallines Silizium bildet stark metallisch glänzende, tief dunkelgraue bis schwarze, reguläre Oktaeder vom Diamanttypus. Ein Strukturanaloges zum Graphit bildet Silizium nicht aus. Beim Erstarren aus der Schmelze dehnt sich Silizium ähnlich wie Gallium, Bismut oder Wasser aus.
Kristallines Silizium ist infolge von Oberflächenpassivierung chemisch sehr wenig reaktionsfähig, ist in Wasser und Säuren (auch Flußsäure) praktisch unlöslich, wird dagegen schon von verdünnten Alkalilaugen zu Silicaten gelöst.
Bei sehr großer Hitze (Weißglut) verbindet sich Silizium mit Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Es legiert sich mit Metallen und bildet Silicide oder intermetallische Verbindungen. Bei mäßigem Erwärmen (z.B. 400°C) bildet sich auf Silizium eine feste SiO₂-Schicht, die weiteren Luftzutritt verhindert.

Physiologie

Elementares Silizium übt auf den tierischen Organismus keine Wirkung aus. Als Spurenelement wird es jedoch offenbar für die Ausbildung von Knochen und Bindegewebe benötigt, bei der Calcifikation junger Knochen (Mineralisation) in Wechselwirkung mit Calcium. Silizium-Mangel führt bei höheren Tieren zu Wachstumsstörungen. Menschliche Haare enthalten 0,01–0,36%, Nagelsubstanz 0,17–0,54% Silizium. Der Erwachsene enthält in seinem Körper ca. 1,4 g Silizium. Interessante Forschungsthemen sind die Untersuchungen der physiologischen Wirkung von Silicium-organischen Verbindungen im Organismus mit dem Ziel, bei Pharmaka durch Ersatz von C durch Si (sogenannte Sila-Pharmaka) spezifische Wirkungsänderungen vornehmen zu können.

Vorkommen

Der Anteil des Siliziums an der Zusammensetzung der Erdkruste beträgt etwa 25,8%. Damit ist Silizium nach Sauerstoff das auf der Erde am meisten verbreitete Element. Wenn man von Sauerstoff absieht, ist Silizium in der Erdkruste etwa ebenso häufig wie alle übrigen Elemente zusammengenommen. Silizium ist das wichtigste Element des Mineralreichs. Wichtige Silizium-Mineralien, sind z.B. Quarz, Orthoklas, Albit, Biotit, Spodumen, Turmalin, Olivin, Augit, Epidot usw.

Herstellung

Man erhält Silizium durch Metallothermie, d.h. durch Reduktion von Quarz mit Magnesium oder Aluminium. In der Technik reduziert man Quarz Hilfe von Kohle in elektrischen Lichtbogenöfen . Reinstes Silizium wird nach Reduktion von Chlorsilanen mittels H₂ u.a. durch Zonenschmelzen oder verschiedene Verfahren der Einkristall-Züchtung erhalten.

Verwendung

Silizium findet Verwendung als Desoxidationsmittel, z.B. bei der Herstellung von Kupfer-Legierungen, als Legierungsbestandteil, hauptsächlich als sogenannte Stahlveredler in Form von Ferrosilicium , für Siliciumcarbid und verwandte Hartstoffe. Reinstes Silizium, das mit Aluminium, Antimon, Arsen, besonders aber Bor oder Phosphor dotiert ist, findet Verwendung in der Halbleitertechnik zur Herstellung von Integrierten Schaltkreisen (IC). Durch seine Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrischen Strom umzuwandeln, werden photovoltaische Solarzellen aus mono- oder polykristallinen Silicium-Scheiben hergestellt.

Geschichtliches

Elementares Silizium wurde von Berzelius durch Reduktion von Siliciumtetrafluorid mit metallischem Kalium erhalten. Berzelius erkannte auch, dass Silizium bei der Verbrennung in "Kieselerde" übergeht. Er benannte Silizium daher mit dem deutschen Wort Kiesel. Der latinisierte (lat.: silex = Kiesel) Name Silizium kam erst später auf.

siehe auch > Element

Quellangaben

• Quelle: Römpp-Chemielexikon; 10 Auflage (1996), S. 4101
• Verfasser: Hg