Silizium
| Allgemeine
Eigenschaften |
| Name |
Silizium, engl. "silicon" |
| Formelzeichen |
Si |
| Ordnungszahl |
14 |
| Isotope (%) |
28Si - 92,23
29Si - 4,67
30Si - 3,10 |
| Alle Isotope künstlich |
nein |
- Silizium bildet kubische
dunkelgrau, metallisch glänzende Kristalle, deren Gitterstruktur der
des Diamanten entspricht.
- Es ist ein sehr sprödes
Material.
- Silizium gehört zu den
Halbleitern, d.h. der elektrische Widerstand sinkt mit steigender
Temperatur. Die elektrische Leitfähigkeit reinen Siliziums ist
gering. Durch dotieren lassen sich die elektrischen Eigenschaften
verbessern.
- Silizium ist ein sehr guter
Wärmeleiter.
- In dünnen Schichten
erscheinen die Kristalle durchscheinend. Daneben existiert ein
dunkelbraunes, amorphes Pulver, das aber im mikrokristallinen Bereich
einen ähnlichen Aufbau wie die Kristalle aufweist.
- Silizium verringert wie Bismut
oder Gallium beim Schmelzen sein Volumen um
etwa 10 % und dehnt sich beim Erstarren wieder aus.
- Silizium ist relativ
reaktionsträge und wird nur von heißen Alkalilaugen aufgelöst.
- Mit Fluor reagiert es bereits
bei Zimmertemperatur unter Feuererscheinung (Si
+ 2 F2 ----> SiF4), mit anderen
Halogenen beim Erhitzen.
- Silizium verbrennt erst
oberhalb von 1000 °C zu Silizium(IV)-oxid (Quarz, SiO2)
- Bei Temperaturen um 1400 °C
reagiert es auch mit Stickstoff zu Siliziumnitrid
(Si3N4), mit Kohlenstoff
zu Siliziumcarbid (SiC) und mit Schwefel zu
Siliziumdisulfid (SiS2).
- Silizium lässt sich mit
Metallen zu Siliciden legieren, z.B. Dicalciumsilicid (Ca2Si),
Calciumsilicid (CaSi), Calciumdisilicid (CaSi2).
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| Chemische
Eigenschaften |
| Elektronegativität nach Pauling
(Oxidationsstufe) |
1,90 (IV) |
| Elektronenkonfiguration |
1s22s22p63s23p2 |
| Oxidationszahlen |
+4, +2, -4 |
| bevorzugt |
+4 |
| Physikalische
Eigenschaften |
| Mittlere Atommasse (u) |
28,0855 ± 3 |
| Dichte (g/cm3) |
2,33 |
| Schmelztemperatur (°C) |
1412 |
| Siedetemperatur (°C) |
2355 |
| Härte (Mohs) |
7 |
| Atomradius (pm) |
117,6 |
| Ionenradius (pm bei Ladung bzw.
Oxidationszahl) |
42 (4+) |
| 1. Ionisierungsenergie (kj/mol bei 25° C) |
793 |
| Radioaktive
Eigenschaften |
| Alle Isotope radioaktiv |
nein |
| Langlebigstes Isotop |
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| Halbwertszeit |
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| Strahlungsart |
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| Geschichtliches |
| 1823 |
- Erstmalige
Darstellung des Elements durch den schwedischen Chemiker Jöns Jakob
Berzelius (1779 - 1848) aus Siliziumtetrafluorid.
- Er benennt es mit dem
lateinischen Wort Silex ("Kieselstein"), da Silizium
beim Verbrennen in Kieselerde (SiO2) übergeht.
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| 1831 |
- Thomas Thompson
schlägt die englische Bezeichnung "silicon" vor. So soll auf
die Ähnlichkeit des Elements mit Kohlenstoff
("carbon") und Bor ("boron")
hingewiesen werden.
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| 1854 |
- Darstellung reinen
Siliziums durch Sainte-Claire Deville
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| Vorkommen |
- Siliziumatome machen 25,8 %
Masseanteil in der Erdhülle aus. Silizium ist damit das
zweithäufigste Element der Erde (nach Sauerstoff)
und das wichtigste Element des Mineralreiches.
- Zahlreiche Mineralien
enthalten in ihrem Aufbau Siliziumatome, elementares Silizium kommt
in der Natur nicht vor. Enthalten ist Silizium z.B.
im Quarz oder in den Silicaten (Beryll, Olivin, Feldspat, Glimmer,
Turmalin).
- Etwa 90 % der Erdkruste
besteht aus Siliziummineralien.
- Im Tier- und Pflanzenreich
finden sich hingegen nur Spuren von Silizium.
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| Verwendung |
- Silizium wird vor allem als
Desoxidationsmittel bei der Stahlherstellung verwendet. Das
zugegebene Silizium entfernt in der Metallschmelze die als
Metalloxide vorliegenden Verunreinigungen und bindet sie, so dass
die Produkte in der Schlacke abgeschöpft werden können.
- Silizium dient zur Legierung
verschiedener Metalle wie Aluminium, Eisen
oder Kupfer.
- Reines Silizium ist ein wichtiger
Rohstoff in der Halbleitertechnik und der Mikroelektronik, wo es das
derzeit vorherrschende Material zur Produktion der Chips ist.
- Wahrscheinlich noch zunehmen wird
die Bedeutung von Silizium als Bestandteil von Solarzellen.
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| Herstellung |
- Laborverfahren:
- Technische Verfahren:
- Durch Reduktion von
Quarzsand mit Kohlenstoff.
Dabei entsteht als Zwischenprodukt Trichlorsilan, das durch eine Destillation
bei ca. 35°C von Verunreinigungen befreit wird und sich an dünnen,
glühenden, ca. 2 m langen Stäben aus Reinstsilizium
absetzt. Dabei scheidet sich reines, polykristallines Silizium
ab, das zu Einkristallen umkristallisiert wird.
- Diese Einkristalle
haben Durchmesser von zurzeit bis zu 30 cm. Durch mehrmaliges
Umkristallisieren im Zonenschmelzverfahren erhält man reinstes
Silizium (99,9999999 %) für die Halbleitertechnik.
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