Silicium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

Nach Sauerstoff ist Silicium das zweithäufigste Element der Erdkruste und macht gut ein Viertel ihrer Masse aus. In reiner Form kommt es in der Natur nicht vor. Es steckt im Quarz, also Siliciumdioxid, aus dem Sand, Kies und Bergkristall bestehen, und in den Silicaten, zu denen Feldspäte, Glimmer, Tonminerale und viele Edelsteine gehören. Auch Lebewesen nutzen Silicium: Kieselalgen bauen ihre Schalen aus Siliciumdioxid, und Schachtelhalme lagern es in ihre Stängel ein.

Technisch gewinnt man Silicium, indem man Quarz mit Kohlenstoff in elektrischen Lichtbogenöfen bei sehr hoher Temperatur reduziert. Dabei entsteht Rohsilicium, das für Legierungen genügt. Für die Elektronik ist es viel zu unrein. Deshalb setzt man es zu Trichlorsilan um, reinigt diese Flüssigkeit durch Destillation und scheidet daraus hochreines Silicium ab. Aus der Schmelze zieht man schließlich große Einkristalle, die in hauchdünne Scheiben, die Wafer, gesägt werden. Kristallines Silicium stellte Henri Sainte-Claire Deville im Jahr 1854 dar; unreines, pulverförmiges Silicium hatte Jöns Jacob Berzelius schon rund drei Jahrzehnte früher gewonnen. Der Name stammt vom lateinischen silex für Kieselstein. In der Fachsprache der Chemie schreibt man oft Silicium.

Eigenschaften und Reaktionen

Silicium hat die Elektronenkonfiguration [Ne] 3s² 3p² und vier Valenzelektronen. Es steht in Periode 3 und Gruppe 14, direkt unter Kohlenstoff. Wie dieser bildet es bevorzugt vier Bindungen, die tetraedrisch angeordnet sind. Im Kristall ist jedes Siliciumatom so mit vier Nachbarn verknüpft wie die Kohlenstoffatome im Diamanten. Die Elektronegativität beträgt 1,9.

Reines Silicium ist dunkelgrau, metallisch glänzend, hart und spröde. Seine Dichte beträgt 2,33 g/cm³, es schmilzt bei 1414 °C und siedet bei 3265 °C. Elektrisch ist es ein Halbleiter: Bei tiefer Temperatur leitet es kaum, bei Erwärmung oder Belichtung zunehmend besser. Gezielt eingebrachte Fremdatome verändern die Leitfähigkeit stark. Bor erzeugt p-leitendes Silicium, Phosphor n-leitendes; an der Grenze zwischen beiden Schichten entstehen Dioden, Transistoren und Solarzellen.

Bei Raumtemperatur ist Silicium reaktionsträge, weil eine dünne Schicht aus Siliciumdioxid es schützt. Ein Gemisch aus Flusssäure und Salpetersäure sowie heiße Laugen greifen es an, bei hoher Temperatur verbrennt es zu Siliciumdioxid und reagiert mit Chlor zu Siliciumtetrachlorid. Die Bindung zwischen Silicium und Sauerstoff ist besonders stark. Deshalb kommt Silicium auf der Erde fast nur in Verbindung mit Sauerstoff vor.

Verwendung in Alltag und Technik

Mengenmäßig wird Silicium vor allem in der Metallurgie gebraucht. Als Ferrosilicium entzieht es Stahlschmelzen Sauerstoff, und Aluminium-Silicium-Legierungen lassen sich besonders gut zu Motorblöcken und Felgen gießen. Ein weiterer großer Teil geht in die Chemie, vor allem in die Herstellung von Silikonen.

Die bekannteste Anwendung ist die Halbleitertechnik. Auf Wafern aus hochreinem Silicium entstehen Prozessoren und Speicherchips mit Milliarden winziger Transistoren. Solarzellen aus Silicium wandeln Sonnenlicht in elektrischen Strom um und liefern einen wachsenden Teil der Energie weltweit.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Silicium und Silikon. Silikone sind Kunststoffe, deren Rückgrat aus abwechselnd verknüpften Silicium- und Sauerstoffatomen besteht, an denen organische Gruppen hängen. Sie stecken in Fugenmasse, Backformen, Dichtungen und Schmierstoffen, sind aber Polymere und kein Element. Siliciumverbindungen prägen auch den Alltag auf andere Weise: Glas wird aus Quarzsand geschmolzen, Zement und Keramik bestehen größtenteils aus Silicaten, und Siliciumcarbid dient als hartes Schleifmittel und in Leistungselektronik.

Moleküle mit diesem Element

• Silan SiH₄3D ansehen
• Siliciumcarbid SiC3D ansehen
• Disiloxan H₃SiOSiH₃3D ansehen

Kurz gefragt

Welches der Elemente zeigt den staerksten metallischen Charakter?

Häufige Fragen