Silicium

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ejendomme
Generelt
Navn , symbol , atomnummer Silicium, Si, 14
Element kategori Halvmetaller
Gruppe , periode , blok 14 , 3 , s
Udseende mørkegrå,
blålig nuance
CAS -nummer

7440-21-3

EF -nummer 231-130-8
ECHA InfoCard 100.028.300
Massefraktion af jordens kuvert 25,8% [1]
Atomisk [2]
Atommasse 28.085 (28.084-28.086) [3] [4] u
Atomradius (beregnet) 110 (111) pm
Kovalent radius 111 pm
Van der Waals radius 210.00
Elektronkonfiguration [ Ne ] 3 s 2 3 p 2
1. Ioniseringsenergi 8 . 15168 (3) eV [5] 786 . 52 kJ / mol [6]
2. Ioniseringsenergi 16 . 34585 (4) eV [5] 1 577 . 13 kJ / mol [6]
3. Ioniseringsenergi 33 . 49300 (9) eV [5] 3 231 . 58 kJ / mol [6]
4. Ioniseringsenergi 45 . 14179 (7) eV [5] 4355. 52 kJ / mol [6]
5. Ioniseringsenergi 166 . 767 (3) eV [5] 16 091 kJ / mol [6]
Fysisk [2]
Fysisk tilstand fast
Krystalstruktur Diamantstruktur
massefylde 2.336 g / cm 3 (20 ° C ) [7]
Mohs hårdhed 6.5
magnetisme diamagnetisk ( Χ m = -4,1 · 10 −6 ) [8]
Smeltepunkt 1683 K (1410 ° C)
kogepunkt 3533 K [9] (3260 ° C)
Molær volumen 12,06 · 10 −6 m 3 · mol −1
Fordampningsvarme 383 kJ / mol [9]
Fusionsvarme 50,66 [10] kJ mol −1
Lydens hastighed 8433 m s −1 ved 293 K
Specifik varmekapacitet 703 [1] J · kg −1 · K −1 ved 298 K
Elektrisk ledningsevne ( Indre ledning ) 5 · 10 −4 A · V −1 · m −1 ved 300 K.
Varmeledningsevne 150 W m −1 K −1
Kemisk [2]
Oxidationstilstande −4, (2) +4
Elektronegativitet 1,90 ( Pauling skala )
Isotoper
isotop NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP
26 Si {syn.} 2.234 s ε 5.066 26 Al
27 Si {syn.} 4,16 s ε 4.812 27 Al
28 Si 92,23 % Stabil
29 Si 4,67% Stabil
30 Si 3,1% Stabil
31 Si {syn.} 157,3 min β - 1.492 31 s.
32 Si {syn.} 153 a β - 0,224 32 s
33 Si {syn.} 6,18 s β - 5,845 33 s.
34 Si {syn.} 2,77 s β - 4.601 34 s
For andre isotoper se liste over isotoper
NMR egenskaber
Spin
Quantum
nummer I
γ i
rad · T −1 · s −1
E r (1H) f L kl
W = 4,7 T
i MHz
29 Si 1/2 0 −5.319 · 10 7 7,86 · 10 -3 19.864 (2.3488 T)
Sikkerhedsinstruktioner
GHS -faremærkning [11]
ingen GHS -piktogrammer
H- og P -sætninger H: ingen H-sætninger
P: ingen P-sætninger [11]
MAK

Schweiz: 3 mg m −3 (målt som åndbart støv ) [12]

Så vidt muligt og sædvanligt anvendes SI -enheder .
Medmindre andet er angivet, gælder de givne data for standardbetingelser .

Silicium , på standardsproget silicium , [13] er et kemisk element med symbolet Si og atomnummeret 14. Det er i den 4. hovedgruppe ( kulstofgruppe ) eller den 14. IUPAC -gruppe og den tredje periode i det periodiske system af elementerne . Med hensyn til massefraktion er det det næstmest forekommende element i jordens skal efter ilt .

Silicium er et klassisk halvmetal , har derfor egenskaber for både metaller og ikke-metaller og er en elementhalvleder . Ren, elementær silicium er grå-sort i farven og har en typisk metallisk, ofte bronze til blålig glans.

Silicium er ekstremt vigtigt for elektronik og er også blevet brugt i isotop-ren form til at definere kilogrammet siden 2018. Elementært silicium er ugiftigt for menneskekroppen, silicium i bunden silikatform er vigtigt for mennesker. Menneskekroppen indeholder ca. 20 mg / kg kropsmasse silicium; mængden falder med alderen.

Retskrivning og etymologi

På standardsproget skrives elementet "silicium". Stavningen med "c" bruges hovedsageligt i kemisk terminologi. Begge stavemåder stammer fra det latinske udtryk silicia " silica ", forbundet med det latinske silex "småsten", "sten". [14]

Det engelske ord for silicium er silicium . Det er for eksempel inkluderet i navnet Silicon Valley . Lejlighedsvis oversættelse silikone er en forkert ven , fordi silikoner er en klasse af kemiske forbindelser af silicium.

historie

Anvendes i præindustrielle tider

Siliciumholdige forbindelser , især sten, har traditionelt spillet en vigtig rolle som byggemateriale i menneskets historie. Et typisk eksempel på en tidlig stenstruktur er Stonehenge . Et andet vigtigt silikatholdigt materiale, der har været brugt som byggemateriale i lang tid, er ler , der blev brugt som væltet jord, forstærket med kviste eller halm i lerbyggeri eller brugt i konstruktioner af muddersten, senere også brændt som mursten . Cement , som også indeholder silikat, blev først udviklet af romerne.

På grund af deres skarpe skærekanter blev sten indeholdende silicium også brugt som værktøj i stenalderen . Obsidian , for eksempel, blev allerede udvundet som et særligt egnet redskabsmateriale i forhistorisk tid og blev bredt udbredt gennem handel. Flint blev også udvundet i kridtområder som Belgien og Danmark . Ved metaludvinding, især i stålproduktion, bruges silikatslagger til at beskytte komfurer og ovne mod indtrængen af ​​ilt og bruges som en form lavet af ler eller sand; glasproduktion kan være blevet opdaget i processen.

Opdagelse som element

Antoine Lavoisier postulerede eksistensen af ​​silicium

Det blev første gang forudsagt i 1789 af Antoine Lavoisier, at silex var et metaloxid. [15] [16] I 1807 postulerede Humphry Davy efter elektrokemiske forsøg eksistensen af metallerne silicium, aluminium , zirconium og glucinium ( beryllium ). [17]

"Havde jeg været så heldig at have opnået mere sikker dokumentation om dette emne og have anskaffet de metalliske stoffer, jeg var på jagt efter, skulle jeg have foreslået dem navne på silicium, aluminium, zirkonium og glucium."

"Havde jeg været så heldig at have mere pålidelige beviser om emnet og have lært de metalliske stoffer, jeg ledte efter, havde jeg foreslået navnene silicium, aluminium, zirconium og glucium for dem."

- Humphry Davy

I 1811 producerede kemikerne Joseph Louis Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard (se Thénards Blau ) urent og amorft silicium (a-Si, den ikke-krystallinske, allotropiske form af silicium). [18] [19] For at gøre dette satte de siliciumtetrafluorid med elementært kalium . En lignende procedure blev fulgt i 1824 af Jöns Jakob Berzelius i Sverige ved at omdanne et hexafluorosilikat med elementært kalium. Berzelius rensede det amorfe silicium, der blev opnået ved vask. Han var den første til at genkende siliciumets elementære karakter og gav det sit navn. [20]

Udtrykket silicium stammer fra det latinske ord silex (småsten, flint ). Han udtrykker, at silicium er en fælles bestanddel af mange mineraler .

Det engelske udtryk silicium blev foreslået i 1817 af den skotske kemiker Thomas Thomson (1773-1852). Slutningen -on skal angive det kemiske forhold til ikke -metaller carbon ( kulstof ) og bor ( bor ). [21]

Den første produktion af rent, krystallinsk silicium blev opnået i 1854 af den franske kemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville ved hjælp af elektrolyse .

Ske

Silicium i livløs natur

Hele jorden består af omkring 15 vægtprocent silicium; Især jordens kappe består i betydelig grad af silikatstensmeltninger. Jordskorpen består af cirka 25,8 vægtprocent silicium; dette gør det til det næstmest almindelige kemiske grundstof efter ilt . Her forekommer silicium hovedsagelig i form af silikat mineraler eller som ren siliciumdioxid .

Sand består hovedsageligt af siliciumdioxid. Kvarts er rent siliciumdioxid. Mange ædelstene består af siliciumdioxid og mere eller mindre blandinger af andre stoffer, såsom ametyst , rose og røgkvarts , agat , jaspis og opal . Med mange metaller danner silicium silikater. Eksempler på sten, der indeholder silikat, er glimmer , asbest , ler , skifer , feltspat og sandsten . Verdenshavene repræsenterer også et enormt reservoir af silicium: i form af monomer silica opløses det i betydelige mængder i alle oceaner. I alt er 1437 siliciummineraler kendt til dato (fra 2011), hvor den sjældne moissanit med et indhold på op til 70% har det højeste siliciumindhold (til sammenligning: mineralkvarts har et siliciumindhold på op til 46,7%). [22]

Da silicium også forekommer naturligt i en værdig , dvs. elementær form, anerkendes det som et mineral af International Mineralogical Association (IMA) og er opført i Strunz's mineralsystematik (9. udgave) under systemnr. 1.CB.15 ( 8. udgave: I / B.05-10) i afdelingen for halvmetaller og ikke-metaller. I systematikken for mineraler ifølge Dana , som hovedsageligt er kendt i det engelsktalende område, har elementmineralet systemnummeret. 01.03.07.01.

Solid silicium er hidtil (fra 2011) fundet på 15 steder, heraf det første i Nuevo Potosí -forekomsten på Cuba . Andre steder er i Folkerepublikken Kina , Rusland , Tyrkiet og USA . [23]

Silikatcyklus

Silikatmineraler nedbrydes permanent ved reaktion med kolsyren i vandet til dannelse af metasilicinsyre og carbonater, som det kan vises ved hjælp af eksemplet med calciumsilikat:

Den uopløselige metasilicinsyre reagerer yderligere med carbonic syre til dannelse af opløselig orthosilicic syre:

Orthosilicinsyre reagerer imidlertid hurtigt med sig selv for at danne (amorft) siliciumdioxid og vand, forudsat at pH -værdien er ≥ 3. Den absolutte koncentration af ortosilicinsyre er lav (f.eks. <Ca. 7 mmol i havvand).

Gennem inkorporering af silica eller vandopløselige silikater i marine organismer (1.), som sedimenterer på havbunden efter døende, eller gennem vulkanisme og flugt af magma på havbunden, dannes silikatmineralerne igen (2. ), og cyklussen lukkes:

Tidshorisonten, hvor denne proces finder sted, er flere millioner år, hvilket er betydeligt længere end i tilfælde af kulstofcyklus i den levende natur.

Silicium i den levende natur

Ud over den allerede nævnte væsentlige karakter af silicium er der en række levende ting, der producerer strukturer, der indeholder siliciumdioxid. De mest kendte er kiselalger , svampe (Porifera, Spongiaria) og radiolarians , der opbygger et eksoskelet fra siliciumdioxid gennem den enzymkatalyserede kondensering af ortosilicinsyre Si (OH) 4 . Mange planter indeholder også siliciumdioxid i deres stilke og blade. Kendte eksempler her er padderoket og bambusplanten . Den indbyggede siliciumdioxidramme giver dem ekstra stabilitet.

Fysiologisk betydning for mennesker

Silicon ser ud til at være nødvendig for knogledannelse og modning. Hos kalve førte administrationen af ​​orthosilicat til en stigning i kollagen i hud og brusk. [24] Det ønskelige indtag stammer fra dyreforsøg er 30 mg / d. Mangler hos mennesker kendes endnu ikke.

Orale præparater tilbydes som silica eller Silicea terra . De indeholder i det væsentlige kiselsyreanhydrider (siliciumdioxid) og formodes at styrke hud, negle, knogler og bindevæv og holde dem sunde. En effekt er ikke videnskabeligt bevist.

Et overskud af silicium kan føre til hæmolyse af erytrocytter og som følge heraf forårsage celleforandringer. [25] Når det tages i overskud, fremmer silicium dannelsen af urinsten . [26]

Ekstraktion i laboratoriet

Metallurgisk siliciumpulver

Elementært silicium kan opnås i laboratorieskala ved reduktion , startende fra siliciumdioxid eller siliciumtetrafluorid, med basismetaller. Reaktion 2.) er en aluminotermisk proces, der kun fungerer med tilsætning af elementært svovl, den tredje vej svarer til opdagelsen af ​​elementerne:

Meget reaktivt amorft silicium kan opnås ved reduktion med natrium eller acidolyse af silicider :

Udvinding i industrien

Elementær silicium bruges i forskellige renhedsgrader i metallurgi ( ferrosilicium ), fotovoltaik ( solceller ) og i mikroelektronik (halvledere, computerchips ). Derfor er det almindeligt i erhvervslivet at klassificere elementært silicium baseret på forskellige grader af renhed. Der skelnes mellem Si mg ( metallurgisk kvalitet , rå silicium, 98–99% renhed), Si sg ( solkvalitet , solsilicium, urenheder mindre end 0,01%) og Si f.eks. ( Elektronisk kvalitet , halvleder silicium, urenheder mindre end 10 −9 ). For solceller er materialets renhed i hele dens tykkelse vigtig for at sikre den længst mulige ladningsbærerlevetid.For mange anvendelser inden for mikroelektronik behøver kun de øverste lag på omkring 20 til 30 µm at være ekstremt rene.

Traditionelt anvendes Siemens -processen , hvor silicium først omdannes til trichlorsilan (silicochloroform) med gasformigt hydrogenchlorid ved 300-350 ° C i en reaktor med fluidiseret leje .

Efter flere destillationstrin nedbrydes trichlorsilanen igen termisk i nærværelse af hydrogen i modsætning til ovenstående reaktion på opvarmede siliciumstænger med høj renhed ved 1000-1200 ° C. [27] Det elementære silicium vokser på det på stængerne. Hydrogenchloridet, der frigives i processen, returneres til cyklussen. Siliciumtetrachlorid fremstilles som et biprodukt, som enten omdannes til trichlorsilan og føres tilbage til processen eller brændes i iltflammen til dannelse af pyrogent silica . Siemens-processen producerer 19 kg affald og biprodukter pr. Kg ultrarent silicium.

Rå silicium

I industriel målestok opnås elementært silicium ved at reducere siliciumdioxid med kulstof i en smeltereduktionsovn ved temperaturer på omkring 2000 ° C. Udgangsmaterialet er kvartssand eller kvartsgrus.

Omkring 4,1 millioner tons af dette industrielle rå silicium (Si mg ) blev produceret i 2002. Det er tilstrækkeligt rent til metallurgiske formål og bruges som en legeringskomponent og deoxidant til stål (forbedring af korrosionsbestandighed , undertrykkelse af cementit ) og som udgangsmateriale til fremstilling af silan ved hjælp af Müller-Rochow-processen , som i sidste ende primært bruges til produktion af silikoner . Til fremstilling af ferrosilisium til stålindustrien (deoxidator i højovnsprocessen ) udføres følgende reaktion hensigtsmæssigt i nærvær af elementært jern .

Yderligere fordøjelsesmuligheder for SiO 2 er:

Soda -fordøjelsen ved ca. 1600 ° C i smeltetanken :

Den hydrotermiske fordøjelse ved ca. 200 ° C med vand i en autoklav :

Solar silicium

Oprenset polykrystallinsk silicium

Til produktion af solceller renses det rå silicium yderligere til det, der er kendt som solsilicium (Si sg ) (renhed> 99,99%). De forskellige processer, der bruges til dette, har mange komplekse mellemtrin og er den mest energikrævende del af produktionen af ​​solceller. I løbet af offentlige tilskud og lavere energiomkostninger ved brug af billig elektricitet fra kul har kinesiske udbydere af solsilicium for nylig været i stand til betydeligt at øge deres markedsandel (ved udgangen af ​​2019). [28]

En almindelig proces er produktion af trichlorsilan fra metallurgisk silicium og den efterfølgende destillation af trichlorsilan. Den rene trichlorsilan pyrolyseres derefter, og det dannede silicium afsættes på silicium, der allerede er indført. [29]

Eksempler er også UMG -processen (Upgraded Metallurgical Grade) og FBR -processen (Fluidized Bed Reactor). [30]

En klorfri mulighed er nedbrydning af monosilan , som opløses igen efter et rengøringstrin på opvarmede overflader, eller når det føres gennem reaktorer med fluidiseret leje . [31]

I tilfælde af polykrystallinske solceller giver en højere renhed ikke mening, fordi urenhederne reducerer kvanteudbyttet og øger lækstrømmen - men begge påvirkes på denne måde af krystaldefekterne ved korngrænserne. Effektiviteten af ​​monokrystallinske solceller fremstillet af silicium af høj renhed er højere, især når der er lidt belysning, men da de er meget dyrere, bruges de sjældent.

En metode, der bruges af DuPont -virksomheden , er kun af historisk interesse. Det var baseret på reduktion af tetrachlorsilan med elementær zinkdamp ved temperaturer på 950 ° C. [32]

På grund af tekniske problemer og de store mængder zinkchlorid, der produceres som affald, bruges denne proces imidlertid ikke længere i dag.

Halvleder silicium

Monokrystallinsk halvleder silicium

Til applikationer inden for mikroelektronik kræves monokrystallinsk silicium af høj renhed (Si f.eks. ). Især skal forurening med elementer, der også er egnede som dopingelementer, bringes til koncentrationer under visse kritiske værdier ved smeltning af digel eller zonemeltning . Fabrikanten Shin-Etsu annoncerede en “11N” renhed (= 99,999 999 999%) af sine barrer . [33]

Ved digeltrækning ( Czochralski -processen ) smeltes solsilicium opnået ved hjælp af Siemens -processen i kvartsdigler . En frøkrystal fremstillet af monokrystallinsk silicium af høj renhed bringes ind i denne smelte og trækkes langsomt ud af smelten under rotation, idet silicium af høj renhed krystalliserer i monokrystallinsk form på krystallen, hvilket efterlader næsten alle urenheder i smelten. Den fysiske baggrund for denne rengøringsproces er sænkning af smeltepunktet og stoffers tendens til at krystallisere så rent som muligt.

Alternativ wird beim Zonenschmelzen mit Hilfe einer (ringförmigen) elektrischen Induktionsheizung eine Schmelzzone durch einen Siliciumstab gefahren, wobei sich ein Großteil der Verunreinigungen in der Schmelze löst und mitwandert.

Hochreines kristallines Silicium ist derzeit das für die Mikroelektronik am besten geeignete Grundmaterial; weniger hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften als vielmehr wegen der chemischen, physikalischen und technisch nutzbaren Eigenschaften von Silicium und seiner Verbindungen (Siliciumdioxid, Siliciumnitrid usw.). Alle gängigen Computerchips , Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silicium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silicium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen ( Dotierung ), wie beispielsweise Indium , Antimon , Arsen , Bor oder Phosphor , können die elektrischen Eigenschaften von Silicium in einem weiten Bereich verändert werden. Vor allem mittels der dadurch erzeugbaren PN-Übergangs-Effekte lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silicium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung Silicon Valley (dt. „Silicium-Tal“) für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Bedeutung des Siliciums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.

Amorphes Silicium kann mit Hilfe von Excimerlasern in polykristallines Silicium umgewandelt werden. Dies ist für die Herstellung von Dünnfilmtransistoren (engl. thin-film transistor , TFT) für Flachbildschirme von zunehmender Bedeutung.

Silicium- Wafer

Hersteller

Silicium ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Hochreines Silicium für die Anwendung in Solarmodulen oder in Halbleiterkomponenten wird in der Regel in Form von dünnen Scheiben aus Einkristallen , sogenannten Silicium- Wafern (siehe Abb.), produziert. Aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und langen Bauzeiten für die notwendigen Öfen stellen allerdings weltweit nur wenige Firmen Rohsilicium her.

Die größten Produzenten für metallurgisches Silicium sind:

  1. Elkem (N, USA)
  2. Invensil (F, USA) [34]
  3. Globe Metallurgical (USA)
  4. Rima Metal (Br)

Es gibt noch ca. 15 andere große Produzenten. In der Volksrepublik China gibt es eine Reihe kleinerer Werke, im Ländervergleich ist sie daher der größte Produzent. [35]

Der Markt für Polysilicium bzw. Reinstsilicium ist seit Mitte der 2000er Jahre im Umbruch. Aufgrund des hohen Bedarfes der Solarbranche kam es 2006 zu einer Siliciumknappheit. [36]

Führende Hersteller von Polysilicium 2016 [37]
Hersteller Produktion im Jahr 2016 Firmensitz
GCL-Poly 69,1 kt China (Hongkong)
Wacker Chemie 67,5 kt Deutschland
OCI 49,4 kt Südkorea
Xinte Energy 22,8 kt China
Daqo New Energy 13,1 kt China

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Erweitertes Zonenschema von Silicium (nicht besetzte Bereiche eingefärbt)

Silicium ist wie die im Periodensystem benachbarten Germanium , Gallium , Phosphor und Antimon ein Elementhalbleiter . Der gemäß dem Bändermodell geltende energetische Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband beträgt 1,107 eV (bei Raumtemperatur). Durch Dotierung mit geeigneten Dotierelementen wie beispielsweise Bor oder Arsen kann die Leitfähigkeit um einen Faktor 10 6 gesteigert werden. In solchermaßen dotiertem Silicium ist die durch die von Fremdatomen und Gitterdefekten verursachte Störstellenleitung deutlich größer als die der Eigenleitung, weshalb derartige Materialien als Störstellenhalbleiter bezeichnet werden. Der Gitterparameter beträgt 543 pm.

Spektrum des komplexen Brechungsindex ( N = n + i k ) von Silicium

Der von der Wellenlänge des Lichts abhängige komplexe Brechungsindex ist im nebenstehenden Bild dargestellt. [38] [39] Auch hier lassen sich Informationen über die Bandstruktur ablesen. So erkennt man anhand des stark steigenden Verlaufs des Extinktionskoeffizienten k einen direkten Bandübergang bei 370 nm ( E Γ1 = 3,4 eV). Ein weiterer direkter Bandübergang ist bei ≈ 300 nm ( E Γ2 = 4,2 eV) zu beobachten. Der indirekte Bandübergang von Silicium ( E g = 1,1 eV) kann nur erahnt werden. Dass weitere indirekte Bandübergänge vorhanden sind, ist an der weit auslaufenden Kurve von k für Wellenlängen > 400 nm erkennbar.

Wie Wasser und einige wenige andere Stoffe weist Silicium eine Dichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form (bei T m = 1685 K) um 10–11 % [40] höher als in fester, kristalliner Form (c-Si) bei 300 K.

Chemische Eigenschaften

In allen in der Natur auftretenden und in der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silicium ausschließlich Einfachbindungen aus. Die Stabilität der Si-O-Einfachbindung im Gegensatz zur CO-Doppelbindung ist auf ihren partiellen Doppelbindungscharakter zurückzuführen, der durch Überlappung der freien Elektronenpaare des Sauerstoffs mit den leeren d-Orbitalen des Siliciums zustande kommt. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel , wonach Silicium als Element der 3. Periode keine Mehrfachbindungen ausbildet, muss mittlerweile jedoch als überholt angesehen werden, da inzwischen eine Vielzahl synthetisch hergestellter Verbindungen mit Si-Si- Doppelbindungen bekannt sind. Im Jahre 2004 wurde die erste Verbindung mit einer formalen Si-Si- Dreifachbindung strukturell charakterisiert.

Mit Ausnahme von chlorhaltiger oder salpetersäurehaltiger Flusssäure (in denen sich Hexafluorosilicat bildet) ist Silicium in Säuren unlöslich, da es zur Passivierung durch die Bildung einer festen Siliciumdioxidschicht kommt.[41] [42] Leicht löst es sich hingegen in heißen Alkalilaugen unter Wasserstoffbildung.[41] Trotz seines negativen Normalpotenzials (−0,81 V) ist es in kompakter Form reaktionsträge, da es sich an der Luft mit einer schützenden Oxidhaut überzieht.

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften von Silicium sind anisotrop (richtungsabhängig). [43] [44] Je nach gewählter Kristallorientierung nimmt der Elastizitätsmodul Werte zwischen 130 GPa und 189 GPa an. Eine allgemeine Beschreibung des elastischen Verhaltens erfolgt in Voigt-Notation wie für alle kubischen Kristalle über die drei unabhängigen elastischen Konstanten C 11 , C 12 und C 44 . Die Elastizitätsmatrix ist für Silicium:

Die elastischen Konstanten haben dabei folgende Werte:

Aus den elastischen Konstanten lassen sich für die einzelnen Hauptkristallrichtungen des Siliciums (100,110 und 111) die jeweiligen Elastizitätsmoduln errechnen [45] :

Polykristallines Silicium besitzt – makroskopisch betrachtet – isotropes Elastizitätsverhalten . In der Literatur werden die entsprechenden Werte des Elastizitätsmoduls , Schubmoduls sowie der Poissonzahl mit

angegeben. [45]

Isotope

Es sind insgesamt 23 Isotope zwischen 22 Si und 45 Si des Siliciums bekannt. Von diesen sind drei, die Isotope 28 Si, 29 Si und 30 Si, stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größten Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist 28 Si mit 92,223 %, 29 Si hat einen Anteil von 4,685 % und 30 Si von 3,092 %. Die langlebigsten instabilen Isotope sind 32 Si, das mit einer Halbwertszeit von 153 Jahren unter Betazerfall in 32 P ( Phosphor ) übergeht und 31 Si, das mit einer Halbwertszeit von 157,36 Minuten ebenfalls unter Betazerfall zu 31 P zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden. [46]

28 Si entsteht in schweren Sternen gegen Ende ihrer Entwicklung in großen Mengen ( Sauerstoffbrennen ). Dies ist der Grund für den hohen Anteil von 28 Si am gesamten Silicium (92,23 %) bzw. auch an der Häufigkeit von Silicium im Vergleich zu anderen Elementen. Seit 2009 liefen Versuche, die SI-Basiseinheit Kilogramm neu zu definieren als eine bestimmte Menge von 28 Si-Atomen; diese Versuche führten im November 2018 zu einer entsprechenden Neudefinition. Ebenfalls stabil sind die Isotope 29 Si (4,67 % Anteil am gesamten Silicium) sowie 30 Si (3,1 %).

Das radioaktive Isotop 31 Si zerfällt rasch ( Halbwertszeit 157,3 Minuten) durch Betastrahlung zu stabilem Phosphor . Dieser Umstand kann genutzt werden, um sehr homogen n-dotiertes Silicium herzustellen. Dazu wird Silicium mit Neutronen bestrahlt, durch Neutroneneinfang entsteht dann 31 Si und folglich 31 P. Eine für dieses Verfahren geeignete Neutronenquelle ist die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz . Langlebiger ist 32 Si mit einer Halbwertszeit von 172 Jahren. Spuren dieses Isotops entstehen in der Erdatmosphäre durch Spallation von Argon durch kosmische Strahlung . 32 Si zerfällt zu dem ebenfalls radioaktiven 32 P (Halbwertszeit 14,3 Tage), und dann weiter zu stabilem 32 S ( Schwefel ). Alle weiteren Isotope zerfallen innerhalb weniger Sekunden (vgl. Liste der Isotope ).

Sicherheit

Silicium ist als Pulver wie viele Elemente brennbar. Als Pulver und Granulat ist es reizend. Kompaktes Silicium ist ungefährlich.

Hydriertes , das heißt oberflächlich mit Wasserstoff bedecktes, poröses Silicium kann unter Lasereinstrahlung und Zunahme von Sauerstoff hochexplosiv sein [47] [48] , wie Forscher der Technischen Universität München zufällig entdeckt haben. Sprengungen im Mikrometerbereich sind möglich. Die Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsenergie sind höher als bei TNT und Dynamit .

Verwendung in der Technik

1947 entdeckten John Bardeen , Walter Brattain und William Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, den Transistor , zunächst an einem Germanium - Einkristall . Das verbindungsfreudige Silicium konnte erst später in der für elektronische Zwecke notwendigen Reinheit isoliert werden. 1958 entwickelten Robert Noyce bei Fairchild und Jack S. Kilby bei Texas Instruments unabhängig voneinander die integrierte Schaltung (IC) auf einem Silicium-Chip. [49] Seit etwa 1970 ist Silicium das Grundmaterial der meisten Produkte der Halbleiterindustrie und Basismaterial für viele Sensoren und andere mikromechanische Systeme (z. B. Hebelarm in einem Rasterkraftmikroskop). Silicium ist auch der elementare Bestandteil der meisten Solarzellen .

Im November 2005 wurde von ersten erfolgversprechenden Versuchsergebnissen mit Siliciumlasern berichtet.

Silicium wird als energiereicher Brennstoff in vielen Explosivstoffen verwendet. [47]

Da sich Silicium beim Erstarren ausdehnt, während sich die meisten Stoffe zusammenziehen, wird es vielen Gusslegierungen zulegiert. Gusseisen enthält beispielsweise immer etwa 2 % Si. Besondere Bedeutung haben Aluminium-Silicium-Legierungen , in denen der Si-Gehalt bis 20 % betragen kann. Dies ist von allen Aluminiumgusswerkstoffen die wichtigste Sorte. [50] [51]

Weil Silicium flexibel und nicht magnetisierbar ist, werden die Unruhspiralen in manchen Armbanduhren aus Silicium hergestellt. [52]

Verbindungen

Silicium tritt in chemischen Verbindungen fast immer vierwertig auf. Demgemäß ist das Siliciumatom in Verbindungen in der Regel vierfach koordiniert. Daneben existieren aber mittlerweile eine Reihe von Verbindungen, in denen Silicium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist. Neben dem vierwertigen Silicium sind auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliciums ( Silylene ) bekannt, die jedoch meistens sehr instabil sind. Von größerer Bedeutung ist einzig das Siliciummonoxid , das als Material zur Vergütung von optischen Linsen verwendet wird. Darüber hinaus wurde 2012 auch eine dreifach koordinierte Verbindung ähnlich der eindimensionalen Struktur von Graphen experimentell nachgewiesen, dem sogenannten Silicen . [53]

Die gesamte Chemie des Siliciums ist im Wesentlichen durch die hohe Affinität des Siliciums zum Sauerstoff geprägt. Silicium stellt in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar, obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silicium existieren. Dabei handelt es sich meistens um Silicide, bei denen Silicium auch echte Anionen ausbilden kann.

Inversion der Bindungspolarität

Besonders erwähnenswert ist die Inversion der Bindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang von Kohlenstoff zum Silicium. Hier ändert sich die Elektronegativitätsdifferenz von +0,45 (Kohlenstoff-Wasserstoff) auf −0,2, weshalb Siliciumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität als Kohlenwasserstoffe aufweisen.

Die wichtigsten Verbindungen des Siliciums kann man in folgende Klassen einteilen, von denen jeweils einige Vertreter genannt sind:

Binäre Verbindungen

Silicate

Siliciumhalogenide

Siliciumwasserstoffe

Organische Siliciumverbindungen

Polymere Siliciumverbindungen

  • Silikone (Silicone, Polyorganosiloxane) entstehen durch Polymerisation und gehören zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen. Polymere Silicium-Sauerstoff-Verbindungen finden Anwendung in vielen Bereichen; so dienen sie als Schmiermittel und Dichtstoffe in der Kosmetik- und Bauindustrie.
  • Polysilane, -carbosilane, -carbosilazane, -carbosiloxane

Sonstiges

Bis heute kommt es immer wieder vor, dass das englische Wort „ silicon “ (für Silicium) in populärwissenschaftlichen Artikeln oder bei Filmsynchronisationen fälschlich als „ Silikon “ (engl. „silicone“) übersetzt bzw. ausgesprochen wird. Dies geschah beispielsweise in der Science-Fiction-Serie Star Trek , dem James-Bond -Agententhriller Im Angesicht des Todes oder in der Zeichentrickserie Die Simpsons . Beispiel: „Besteht die Lebensform aus Kohlenstoff oder aus Silikon?“ [54]

Sogar in nicht übersetzten Texten wie dem 1980er-Jahre-Hit Monopoli fiel Songschreiber und Interpret Klaus Lage auf die falsche Verwendung herein, denn er textete: „[…] deinen Job macht jetzt ein Stück Silikon […]“.

Leben auf Siliciumbasis

In der Science-Fiction wird Silicium oft als Alternative zu Kohlenstoff genannt, wenn es um Lebensformen geht; die beiden Elemente haben viele gemeinsame Eigenschaften. Die Bindung in längerkettigen Molekülen ist bei Silicium jedoch um ungefähr 1 / 4 schwächer als bei Kohlenstoff; das Kohlenstoff-Atom bietet auch deutlich mehr Möglichkeiten zur Doppel- und Dreifachbindung, zudem ist Silicium in Gegenwart von wässrigen Lösungen oder von Sauerstoff nicht stabil. Daher ist die Wahrscheinlichkeit für siliciumbasiertes Leben (mit natürlich-evolutionärer Entwicklung analog zum Kohlenstoff-basierten Leben) nach aktuellem Wissenstand nur gering. [55]

Siehe auch

Literatur

  • Tracy L. Simpson, Benjamin E. Volcani: Silicon and siliceous structures in biological systems . Springer-Verlag, New York 1981, ISBN 3-540-90592-8 .
  • Thomas Thomson: On the Daltonian Theory of Definite Proportions in Chemical Combinations . In: Annals of Philosophy . Band   2 , 1813, S.   32 .

Weblinks

Wiktionary: Silicium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : Silicium – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wikibooks: Siliciumverarbeitung – Lern- und Lehrmaterialien

Einzelnachweise

  1. a b Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Silicium) entnommen.
  3. Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14 .
  4. IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013 .
  5. a b c d e Eintrag zu silicon in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1) . Hrsg.: NIST , Gaithersburg, MD. doi : 10.18434/T4W30F ( https://physics.nist.gov/asd ). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. a b c d e Eintrag zu silicon bei WebElements, https://www.webelements.com , abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. NN Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1988, ISBN 3-527-26169-9 , S. 426.
  8. Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9 , S. E-129 bis E-145 (Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert).
  9. a b Yiming Zhang, Julian RG Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data . 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086 .
  10. W. Zulehner, B. Neuer, G. Rau: Silicon. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2005, doi:10.1002/14356007.a23_721 .
  11. a b Eintrag zu Silicium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA , abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
  12. Schweizerische Unfallversicherungsanstalt (Suva): Grenzwerte – Aktuelle MAK- und BAT-Werte , abgerufen am 2. November 2015.
  13. Duden | Suchen | Silizium. Abgerufen am 9. April 2021 .
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  16. Antoine Laurent Lavoisier: Elements of Chemistry: In a New Systematic Order; Containing All the Modern Discoveries . Mathew Carey, 1799, S. 218–.
  17. Humphrey Davy: Electro-Chemical Researches, on the Decomposition of the Earth; with Observations on the Metals obtained from the alkaline Earths, and on the Amalgam procured from Ammonia. In: W. Bowyer and J. Nichols for Lockyer Davis, printer to the Royal Society (Hrsg.): Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 30. Juni 1808, S.   333– ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
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  19. Joseph-Louis Gay-Lussac, Louis Jacques Thénard: Recherches physico-chimiques, faites sur la pile; sur la préparation chimique et les propriétés du potassium et du sodium; sur la décomposition de l'acide boracique; sur les acides fluorique; muriatique et muriatique oxigéné; sur l'action chimique de la lumière; sur l'analyse végétale et animale; etc. Hrsg.: Deterville. Band   2 , 1811, S.   55– ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  20. Mary Elvira Weeks: Discovery of the Elements . 6th Edition Auflage. Journal Of Chemical Education, Detroit 1960, S.   586–588 ( Internet Archive ).
  21. Thomas Thomson: A System of Chemistry in Four Volumes . 5. Ausgabe, Band 1, Baldwin, Cradock, and Joy, London 1817, S. 252 ( eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  22. Webmineral – Mineral Species sorted by the element Si (Silicon) .
  23. Mindat - Silicon .
  24. MR Calomme, DA Vanden Berghe: Supplementation of calves with stabilized orthosilicic acid: Effect on the Si, Ca, Mg, and P concentrations in serum and the collagen concentration in skin and cartilage . In: Biological Trace Element Research . Band   56 , Nr.   2 , 1997, S.   153–165 , doi : 10.1007/BF02785389 .
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  28. Abschreibung auf Silizium-Fabriken reißt Wacker in rote Zahlen Pressemeldung der Nachrichtenagentum Reuters vom 5. Dezember 2019 zum größten deutschen Hersteller von Solarsilicium Wacker Chemie , Burghausen
  29. https://www.wacker.com/h/medias/7416-DE.pdf Firmenschrift der Wacker AG, 16 Seiten, S. 8, abgerufen am 14. Januar 2020.
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  54. Dr. Hibbert in: Die Akte Springfield. (engl. The Springfield Files ) Staffel 8, Episode 1, deutsche Erstausstrahlung 24. Oktober 1997.
  55. Siliziumbasiertes Leben – Exoplaneten.de – Siliziumbasiertes Leben. 31. Dezember 2019, abgerufen am 17. September 2020 .