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Steckbrief: Silicium

Informationen zum Element:

Bezeichnung

28,086

Symbol: Si

Internationale Bezeichung (IUPAC): Silicon

Ursprung: Silicium (auch: Silizium) ist ein klassisches Halbmetall und weist daher sowohl Eigenschaften von Metallen als auch von Nichtmetallen auf. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf.
Silicium ist ein Elementhalbleiter. Wie nur wenige andere Stoffe (z. B. Wasser) weist Silicium eine Dichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in fester.
Elementares Silicium ist für den menschlichen Körper ungiftig, in gebundener silikatischer Form ist Silicium für den Menschen wichtig. Siliciummangel führt unter anderem zu Wachstumsstörungen des Knochengerüstes. Der menschliche Körper enthält etwa 20 mg/kg Körpergewicht Silicium. Der Wert nimmt im Alter jedoch ab.
Nutzung in vorindustrieller Zeit
Siliciumhaltige Verbindungen spielen in der Menschheitsgeschichte als Baumaterial traditionell eine wichtige Rolle. In gewaltigen Steinsetzungen wie Stonehenge wird religiöse und astronomische Bedeutung vermutet. Die Ägypter meisterten die sichere Bearbeitung und Handhabung gewaltiger Gesteinsmassen. Astgeflecht-Lehmbau für Herde, Öfen, Gebäude, luftgetrocknete, später gebrannte Kacheln, Ziegel und Tongefäße sind die ersten weiterverarbeiteten Siliciumverbindungen. Gewölbebauten im Orient aus gebrannten Ziegeln werden von den Römern zu hohen Aquädukten und Innenräumen von bis zu 40 Metern Spannweite weiterentwickelt. Auch ein unter Wasser härtender Zement aus gebrannten Silikaten wird von ihnen entdeckt. In römischer Zeit wird Straßenbau für hohe Belastung und Dauerhaftigkeit auf Schotterunterbau entwickelt. Glasfenster machen Gebäude für die Römer auch in den nördlichen Besatzungsgebieten bewohnbar und werden von den Einheimischen übernommen. In Sandstein und Mauerstein wird der Gewölbebau in der Gotik zur Vollendung gebracht.
Aufgrund ihrer scharfen Schnittkanten fanden siliciumhaltige Gesteine in der Steinzeit auch Einsatz als Werkzeuge. Bereits in vorgeschichtlicher Zeit ist zum Beispiel Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial abgebaut und durch Handel weithin verbreitet worden. Auch Feuerstein wurde in Kreidegebieten, etwa in Belgien und Dänemark, bergmännisch gewonnen. Bei der Metallgewinnung, insbesondere bei der Stahlherstellung, wird Silikat-Schlacke zum Schutz der Herde und Öfen vor Sauerstoffzutritt und als Form aus Ton oder Sand eingesetzt; dabei wurde möglicherweise die Glasherstellung entdeckt.
Elemententdeckung
Als Element wurde Silicium vermutlich zum ersten Mal von Antoine Lavoisier im Jahre 1787 und unabhängig davon von Humphry Davy im Jahre 1800 hergestellt, fälschlicherweise jedoch für eine Verbindung gehalten. Im Jahre 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) unreines und amorphes Silicium (a-Si, die nichtkristalline, allotropische Form des Siliciums) her. Dazu setzten sie Siliciumtetrafluorid mit elementarem Kalium um. 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 Silicium durch Waschen auf. Er erkannte als erster die elementare Natur des Siliciums und gab ihm seinen Namen. Der Begriff Silicium leitet sich vom lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silicium häufiger Bestandteil vieler Minerale und nach Sauerstoff und noch vor Aluminium das zweithäufigste Element der Erdkruste ist. Es existieren jedoch auch Quellen, welche den Begriff Silicium auf Antoine Lavoisier zurückführen.
Der englische Begriff silicon wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thomson (1773-1852) vorgeschlagen. Die Endung -on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen.
Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliciums gelang im Jahre 1854 dem französischen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.

Bedeutung: silex = Kieselstein, Feuerstein

Daten Periodensystem

Periode: 3

Gruppe: 14 (IV A)

Gruppenname: Kohlenstoffgruppe

Oxidationszahl: 4 (-4, 2)

Atommasse [u]: 28,086

Elektronegativität

Elektronegativität (nach Allred): 1,7

Elektronegativität (nach Pauling): 1,90

Physikalische Daten

Aggregatzustand (20°C): fest

Dichte [g/cm²]: 2,3296

Radioativ: n

Schmelztemperatur [°C]: 1406,85

Siedetemperatur [°C]: 3264,85

Kristallstruktur: kubisch - flächenzentriert

Verwendung im Alltag

Nutzung in der Neuzeit: Siliciumhaltige Verbindungen sind auch Bestandteile moderner Baumaterialen wie zum Beispiel Zement, Beton oder Glas. Im 19. Jahrhundert werden Stahl-, Zement- und Glasherstellung als Großindustrien entwickelt. Silicium dient dabei als Legierungsbestandteil, Flussmittel, Formsand und Sauerstoffschutz.
Computerchips: 1947 entdecken John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, den Transistor, zunächst an einem Germaniumkristall. Es dauerte einige Zeit, bis das verbindungsfreudige Silicium in der für Halbleitereigenschaften notwendigen Reinheit isoliert werden konnte. 1958 entwickeln Robert Noyce bei Fairchild und Jack S. Kilby bei Texas Instruments unabhängig voneinander die integrierte Schaltung (IC) auf einem Silicium-Chip.[3] Heutzutage stellt Silicium das Grundmaterial der meisten Produkte der Halbleiterindustrie dar. So dient es auch als Basismaterial für viele Sensoren und andere mikromechanischen Systeme (z. B. Hebelarm in einem Rasterkraftmikroskop). Silicium ist ebenfalls der elementare Bestandteil der meisten Solarzellen.
Laser: Im November 2005 wird von ersten erfolgversprechenden Versuchsergebnissen mit Siliciumlasern berichtet.
Brennstoff: Silicium wird als energiereicher Brennstoff in vielen Explosivstoffen verwendet.

Vorkommen und Häufigkeit

Vorkommen:

Silicium in der unbelebten Natur: Die gesamte Erde besteht zu etwa 15 Gewichtsprozent aus Silicium; insbesondere der Erdmantel setzt sich zu einem beträchtlichen Anteil aus silikatischen Gesteinsschmelzen zusammen. Die Erdkruste besteht zu etwa 25,8 Gewichtsprozent aus Silicium; damit ist es das zweithäufigste chemische Element nach dem Sauerstoff. Hier tritt Silicium im wesentlichen in Form silikatischer Minerale oder als reines Siliciumdioxid auf. So besteht Sand vorwiegend aus Siliciumdioxid. Quarz ist reines Siliciumdioxid. Viele Halbedelsteine und Schmucksteine bestehen aus Siliciumdioxid und mehr oder weniger Beimengungen anderer Stoffe, etwa Amethyst, Rosen- und Rauchquarz, Achat, Jaspis und Opal. Mit vielen Metallen bildet Silicium Silikate aus. Beispiele für silikathaltige Gesteine sind Glimmer, Asbest, Ton, Schiefer, Feldspat und Sandstein. Auch die Weltmeere stellen ein gewaltiges Reservoir an Silicium dar: In Form der monomeren Kieselsäure ist es in allen Ozeanen in beträchtlichen Mengen gelöst.
Silicium in der belebten Natur: Neben der bereits erwähnten essentiellen Natur des Siliciums gibt es eine Reihe von Lebewesen, die siliciumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. Am bekanntesten sind dabei die Kieselalgen (Diatomeen), Schwämme (Porifera, Spongiaria) und Radiolarien welche sich durch enzymkatalysierte Kondensation von Orthokieselsäure Si(OH)₄ ein Exoskelett aus Siliciumdioxid aufbauen. Auch viele Pflanzen enthalten in ihren Stängeln und Blättern Siliciumdioxid. Bekannte Beispiele sind hier der Schachtelhalm und die Bambuspflanze. Durch das aufgebaute Siliciumdioxidgerüst erhalten diese zusätzliche Stabilität. In der Fauna bilden auch viele Schwämme und Radiolarien Exoskelette aus Siliciumdioxid.

Häufigkeit: 25,8 % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe)