1.

Einleitung

Silicium Symbol Si, halbmetallisches Element, das nach Sauerstoff das zweithäufigste auf der Erde ist. Die Ordnungszahl von Silicium ist 14. Das Halbmetall steht in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems (unter Kohlenstoff) und wurde erstmals 1823 von dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius isoliert.

Vor allem als Stahllegierung, als technisches (metallurgisches) Silicium (u. a. Ausgangsmaterial für die Aluminiumindustrie) und als so genanntes Halbleitersilicium hat das Element wirtschaftliche Bedeutung erlangt (siehe unten).

2.

Eigenschaften und Vorkommen

Silicium kann als braunes amorphes Pulver oder in Form von grauschwarzen Kristallen dargestellt werden. Man erhält es z. B. durch Erhitzen von Siliciumdioxid SiO₂ mit einem Reduktionsmittel (z. B. Kohlenstoff oder Magnesium) in einem Lichtbogenofen (siehe Lichtbogen). Das so gewonnene Produkt nennt man technisches oder auch metallurgisches Silicium. Das Element lässt sich auch durch Einwirkung von elektrischem Strom auf Quarz gewinnen.

In kristalliner Form besitzt Silicium die Härte 7 (im Vergleich zu 5 bis 7 für Glas). Das Halbmetall schmilzt bei circa 1 410 °C, siedet bei circa 2 355 °C und besitzt eine relative Dichte von 2,33. Seine relative Atommasse beträgt 28,086 u.

Silicium wird bei Raumtemperatur von Salpeter-, Salz- und Schwefelsäure praktisch nicht angegriffen, denn das gebildete, in Säuren unlösliche Siliciumdioxid verhindert den weiteren Angriff. In Flusssäure löst sich Siliciumpulver unter Bildung gasförmigen Siliciumtetrafluorids (SiF₄) auf (siehe Fluor). Auch in Natronlauge löst sich das Element auf, wobei Natriumsilicat und gasförmiger Wasserstoff entstehen. Bei gewöhnlichen Temperaturen ist Silicium unempfindlich gegen Luft, bei hohen Temperaturen reagiert es mit Sauerstoff unter Ausbildung einer Siliciumdioxidschicht, die dann eine Weiterreaktion verhindert. Außerdem reagiert Silicium bei hohen Temperaturen mit Stickstoff und Chlor zu Siliciumnitrid (siehe Nitride) bzw. Siliciumchlorid.

Mit den Fullerenen vergleichbare Käfigstrukturen, die nur aus Siliciumatomen bestehen, sind instabil. Die Siliciumkäfige lassen sich aber durch den Einbau von metallischen Zentralatomen stabilisieren. So gelang es beispielsweise japanischen Chemikern im Frühjahr 2001 Käfige aus 14 Siliciumatomen (Zentralatom Hafnium), zwölf Siliciumatomen (Zentralatom Wolfram) sowie neun Siliciumatomen (Zentralatom Iridium) herzustellen und zu charakterisieren. Die Forscher fanden heraus, dass die Anzahl der Siliciumatome für das jeweils verwendete Metall spezifisch waren. Diese Verbindungen könnten als Schaltmechanismen für die Entwicklung von Quantencomputern interessant sein, da sich die elektronischen Eigenschaften der Käfigmoleküle durch die Wahl des zentralen Metallatoms steuern lassen.

Lange Zeit gingen Forscher davon aus, dass Silicium im Molekül keine kumulierten (nacheinander folgenden) Doppelbindungen zu benachbarten Siliciumatomen auszubilden vermag. Derartige Mehrfachbindungen waren bislang nur von Verbindungen des Kohlenstoffs bekannt (z. B. bei den Allenen R₂C9C9CR₂). Japanischen Chemikern gelang es Anfang 2003, so genannte Trisilaallene zu erzeugen und zu isolieren. In diesen Siliciumverbindungen sind drei Siliciumatome über zwei kumulierte Doppelbindungen miteinander verknüpft: R₂Si9Si9SiR₂. Somit kann auch Silicium, wie sein leichterer Nachbar in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems, eine so genannte sp-Hybridisierung aufweisen.

Silicium ist zu etwa 28 Prozent am Aufbau der Erdkruste beteiligt. Es tritt zwar nicht in freiem, d. h. elementarem Zustand auf, dafür in Form von Siliciumdioxid und komplexen Silicaten. Siliciumhaltige Mineralien machen fast 40 Prozent aller und über 90 Prozent der eruptivgesteinsbildenden Mineralien aus. Natürlich auftretende Kristallformen von Siliciumdioxid sind das Mineral Quarz, Abarten von Quarz (z. B. Karneol, Chrysopras, Onyx, Flint und Jaspis) sowie Cristobalit und Tridymit. Sand besteht hauptsächlich aus Siliciumdioxid. Die Silicate (z. B. komplexe Aluminium-, Calcium- und Magnesiumsilicate) sind die Hauptbestandteile von Tonen, Erden und Gesteinen in Form von Feldspaten, Hornblenden, Pyroxenen, Glimmer und Zeolithen sowie von Halbedelsteinen, z. B. von Olivin, Granat, Zirkon, Topas und Turmalin.

3.

Verwendung

Das Element kommt in der Stahlindustrie in Silicium-Stahl-Legierungen zum Einsatz. Außerdem dient es in Form von Ferrosilicium bei der Stahlherstellung als Desoxidationsmittel. Ferrosilicium ist bereits eine Stahllegierung mit unterschiedlichem Siliciumgehalt. Gewöhnlicher Stahl enthält weniger als 0,03 Prozent Silicium. Dafür sind in Siliciumstahl 2,5 bis 4 Prozent des Elements enthalten. Siliciumstahl wird zur Herstellung der Kerne von elektrischen Transformatoren eingesetzt, da die Legierung nur eine geringe Hysterese aufweist (siehe Magnetismus). Eine Stahllegierung mit etwa 15 Prozent Silicium ist hart, spröde und korrosionsbeständig. Sie kann für technische Ausrüstungen eingesetzt werden, die mit korrodierenden Chemikalien in Berührung kommen. Silicium wird auch zusammen mit Kupfer, Messing und Bronze legiert.

Silicium ist ein Halbleiter, d. h., der Widerstand gegen den Elektrizitätsfluss liegt bei Raumtemperatur zwischen dem von Metallen und dem von Isolatoren. Die Leitfähigkeit von Silicium kann durch so genannte Dotiermittel beeinflusst werden. Im Prinzip sind Dotiermittel Verunreinigungen, die man in kleinen Mengen beifügt. Weil man die elektrischen Eigenschaften des Siliciums gezielt steuern kann, ist es als wesentlicher Bestandteil in Transistoren und integrierten Schaltkreisen (Elektronik) einfach nicht mehr wegzudenken.

Im so genannten Halbleitersilicium liegt das Metall in einer Reinheit von mindestens 99,999 Prozent vor. Um diese extrem hohe Reinheit zu erreichen wird dieses Reinstsilicium nach einem besonderen technischen Verfahren hergestellt. Ausgangsprodukt ist technisches Silicium. Dieses wird in einem so genannten Wirbelbettreaktor bei 300 °C mit Chlorwasserstoff zu Trichlorsilan (SiHCl₃) umgesetzt. Im folgenden Schritt wird das Trichlorsilan durch eine Feinstdestillation gereinigt – der Siedepunkt von Trichlorsilan liegt bei 31,5 °C. Das so gewonnene hochreine Zwischenprodukt wird dann bei 1 000 °C zu reinem Silicium zersetzt. Dazu leitet man das Trichlorsilan in Gegenwart von Wasserstoff auf dünne, reine Siliciumstäbe, wobei sich das gewünschte Produkt in Form von polykristallinem Siliciummetall (Polysilicium) abscheidet.

Für die Erzeugung von Halbleiterbauteilen benötigt man einkristallines Silicium. Dieses wird heutzutage u. a. nach zwei besonderen Schmelzverfahren aus Polysilicium gewonnen. Beiden Prozessen liegt das so genannte Zonenschmelzen zu Grunde. Der Polysiliciumstab wird an einer Heizquelle (z. B. Spezialofen, Laserstrahl) vorbeigeführt, wobei nur ein schmaler Bereich (Zone) des Stabes zum Schmelzen gebracht und unmittelbar dahinter wieder abgekühlt wird. Bei diesem Verfahren wandert praktisch die entstehende Schmelzzone von einem Ende des Stabes zum anderen Ende. Man gewinnt dadurch einen zusätzlichen Reinigungseffekt, denn die noch möglichen Verunreinigungen im Polysilicium reichern sich stärker in der Schmelze an und werden so zum Stabende transportiert. Das geschmolzene und wieder erstarrte Silicium rekristallisiert dabei in Form eines Einkristallstabes (siehe Kristall). Das so gewonnene Silicium genügt den halbleitertechnischen Anforderungen und wird anschließend weiterverarbeitet.

Siliciumdioxid und Silicate verwendet man zur Herstellung von Glas, Glasuren, Emaillen, Zement und Porzellan sowie für weitere spezielle Anwendungen. Kieselglas stellt man durch Schmelzen von Quarz oder Hydrolyse von Siliciumtetrachlorid her. Seine besonderen Kennzeichen sind der niedrige Ausdehnungskoeffizient und eine starke Beständigkeit gegen die meisten Chemikalien. Kieselgel ist eine farblose, poröse, amorphe Substanz. Es lässt sich herstellen, indem man z. B. durch Trocknung einen Teil des Wassers aus dem Gel entfernt. Das Gel selbst gewinnt man durch Umsetzung einer Natriumsilicatlösung mit Salzsäure. Kieselgel vermag Wasser und andere Substanzen zu binden und kann somit als Trocken- und Entfärbungsmittel verwendet werden.

Natriumsilicat Na₂SiO₃ – ein wichtiges synthetisch hergestelltes Silicat – ist ein farbloser, wasserlöslicher, amorpher Feststoff, der bei 1 088 °C schmilzt. Wasserfreies Natriumsilicat wird durch Umsetzung von Siliciumdioxid (Sand) mit Natriumcarbonat bei hoher Temperatur hergestellt. Durch die Erwärmung von Sand mit konzentrierter Natronlauge erhält man unter Druck eine wässrige Lösung von Natriumsilicat, so genanntes Wasserglas. Die dazu analoge Kaliumverbindung wird bei der Herstellung von Schweißelektroden-Überzügen, für Mauerimprägnierungen und als Bindemittel für Putze und für Fernsehröhren-Leuchtstoffe verwendet. Die wasserfreien Alkalisilicate setzt man im großen Maßstab bei Wasch- und Reinigungsmitteln ein. Sie dienen außerdem für Klebezwecke und als Füllstoffe für Kautschuke sowie Kunststoffe. Eine weitere wichtige Verbindung aus Silicium und Kohlenstoff ist Carborundum, das als Schleifmittel eingesetzt wird.

Siliciummonoxid SiO benutzt man als Beschichtung zum Schutz anderer Materialien, da auf deren äußerer Oberfläche das Dioxid SiO₂ gebildet wird. Solche Schichten dienen auch als Bestandteile in Interferenzfiltern.