Silicium ist ein klassischesHalbmetall, weist daher sowohl Eigenschaften vonMetallen als auch vonNichtmetallen auf und ist einElementhalbleiter. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf.
Silicium ist äußerst wichtig für dieElektronik und wurde inisotopenreiner Form auch für dasAvogadroprojekt verwendet, mit dem 2019 die MaßeinheitenKilogramm und Molneu definiert wurden.Elementares Silicium ist für den menschlichen Körper ungiftig, in gebundenersilicatischer Form ist Silicium für den Menschen wichtig. Der menschliche Körper enthält etwa 20 mg/kg Körpermasse Silicium; die Menge nimmt mit zunehmendem Alter ab.
Standardsprachlich wird das Element „Silizium“ geschrieben. Die Schreibweise mit „c“ ist vor allem in der chemischen Fachsprache gebräuchlich. Beide Schreibweisen entstammen demlateinischen Ausdrucksilicia „Kieselerde“, verknüpft mitlat.silex „Kieselstein“, „Fels“.[14]
Dasenglische Wort für Silicium istsilicon. Es ist zum Beispiel in der BezeichnungSilicon Valley enthalten. Die gelegentlich anzutreffende ÜbersetzungSilikon ist einfalscher Freund, dennSilikone sind eine Klasse von chemischen Verbindungen des Siliciums.
SiliciumhaltigeVerbindungen, vor allem Gesteine, spielen in der Menschheitsgeschichte als Baumaterial traditionell eine wichtige Rolle. Ein typisches Beispiel für ein frühes Bauwerk aus Stein istStonehenge. Ein weiteres wichtiges silicathaltiges Material, das seit langer Zeit als Baumaterial dient, istLehm, der als Stampflehm, imLehmbau mit Astgeflecht oder Stroh verstärkt oder in Lehmziegelbauten verwendet wurde, später auch gebrannt alsBackstein.Zement, der ebenfalls silicathaltig ist, wurde erstmals von den Römern entwickelt.
Aufgrund ihrer scharfen Schnittkanten fanden siliciumhaltige Gesteine in derSteinzeit auch Einsatz als Werkzeuge. Bereits in vorgeschichtlicher Zeit ist zum BeispielObsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial abgebaut und durch Handel weithin verbreitet worden. AuchFeuerstein wurde in Kreidegebieten, etwa inBelgien undDänemark, bergmännisch gewonnen. Bei der Metallgewinnung, insbesondere bei der Stahlherstellung, wird Silicat-Schlacke zum Schutz der Herde und Öfen vor Sauerstoffzutritt und als Form aus Ton oder Sand eingesetzt; dabei wurde möglicherweise dieGlasherstellung entdeckt.
“Had I been so fortunate as to have obtained more certain evidence on this subject, and to have procured the metallic substances I was in search of, I should have proposed for them the names of silicium, alumium, zirconium and glucium.”
„Wäre ich so glücklich gewesen, mehr zuverlässige Beweise zu diesem Thema zu erhalten und die metallischen Substanzen, die ich suchte, beigebracht zu haben, hätte ich für sie die Namen Silicium, Alumium, Zirkonium und Glucium vorgeschlagen.“
Der Begriff Silicium leitet sich vomlateinischen Wortsilex (Kieselstein,Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silicium häufiger Bestandteil vielerMinerale ist.
Der englische Begriffsilicon wurde 1817 von dem schottischen ChemikerThomas Thomson (1773–1852) vorgeschlagen. Die Endung-on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zu den NichtmetallenKohlenstoff (carbon) undBor (boron) hinweisen.[21]
Die gesamteErde besteht mit einemMassenanteil von etwa 15 % aus Silicium; insbesondere derErdmantel setzt sich zu einem beträchtlichen Anteil aus silicatischen Gestein zusammen. DieErdkruste besteht mit einem Massenanteil von etwa 25,8 % aus Silicium. Damit ist Silicium das zweithäufigste chemische Element nach demSauerstoff und kommt hauptsächlich insilicatischenMineralen oder als reinesSiliciumdioxid vor. So bestehtSand vorwiegend aus Siliciumdioxid undQuarz ist reines Siliciumdioxid.
VieleSchmucksteine bestehen aus Siliciumdioxid mit mehr oder weniger Beimengungen anderer Stoffe, etwaAmethyst, Rosen- und Rauchquarz,Achat,Jaspis undOpal. Mit vielen Metallen bildet Silicium Silicate aus. Beispiele für silicathaltige Gesteine sindGlimmer,Asbest,Ton,Schiefer,Feldspat undSandstein. Auch dieWeltmeere stellen ein gewaltiges Reservoir an Silicium dar: In Form dermonomerenKieselsäure ist es in allen Ozeanen in beträchtlichen Mengen gelöst. Insgesamt sind bisher (Stand: 2011) 1437 Siliciumminerale bekannt, wobei der selteneMoissanit mit einem Gehalt von bis zu 70 % den höchsten Siliciumanteil hat (zum Vergleich: Mineralischer Quarz hat einen Siliciumgehalt von bis zu 46,7 %).[22]
Silicatische Mineralien werden permanent durch Reaktion mit der Kohlensäure des Wassers zu Metakieselsäure und Carbonaten abgebaut, wie am Beispiel des Calciumsilicats gezeigt werden kann:
Die unlösliche Metakieselsäure reagiert weiter mit Kohlensäure zu löslicher Orthokieselsäure:
Allerdings reagiert Orthokieselsäure mit sich selbst schnell wieder zu (amorphem) Siliciumdioxid und Wasser, sofern der pH-Wert ≥ 3 ist. Die absolute Konzentration der Orthokieselsäure ist gering (z. B. < ca. 7 mmol in Meerwasser).
Durch Einbau von Kieselsäure oder wasserlöslichen Silicaten in Meeresorganismen (1.), die nach dem Absterben auf den Meeresboden, durch Vulkanismus oder Austritt von Magma am Meeresboden sedimentieren, werden die silicatischen Mineralien wieder zurückgebildet (2.) und der Kreislauf ist geschlossen:
Der Zeithorizont, in dem dieser Prozess stattfindet, beträgt mehrere Millionen Jahre, ist also beträchtlich länger als im Fall desKohlenstoffkreislaufs der belebten Natur.
Es gibt eine Reihe von Lebewesen, die siliciumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. Am bekanntesten sind dabei dieKieselalgen (Diatomeen),Schwämme (Porifera, Spongiaria) undRadiolarien, die sich durch enzymkatalysierteKondensation von Orthokieselsäure Si(OH)4 einExoskelett aus Siliciumdioxid aufbauen.Auch viele Pflanzen enthalten in ihren Stängeln und Blättern Siliciumdioxid. Bekannte Beispiele sind hier derSchachtelhalm und dieBambuspflanze. Durch das aufgebaute Siliciumdioxidgerüst erhalten diese zusätzliche Stabilität.
Silicium scheint für Knochenbildung und -reifung benötigt zu werden. Bei Kälbern führte die Gabe von Orthosilicat zur Vermehrung vonKollagen in Haut und Knorpel.[24] Die aus Tierversuchen abgeleitete wünschenswerte Zufuhr liegt bei 30 mg/d. Mangelzustände beim Menschen sind bisher nicht bekannt.
AlsKieselerde oderSilicea terra werden Präparate zum Einnehmen angeboten. Sie enthalten im Wesentlichen Kieselsäureanhydride (Siliciumdioxid) und sollen Haut, Nägel, Knochen und Bindegewebe stärken und gesund erhalten. Eine Wirkung ist wissenschaftlich nicht nachgewiesen.
Ein Überschuss an Silicium kann zurHämolyse vonErythrocyten führen und als Folge Zellveränderungen verursachen.[25] Bei stark übersteigerter Einnahme fördert Silicium die Bildung vonHarnsteinen.[26]
Elementares Silicium kann im Labormaßstab durchReduktion, ausgehend von Siliciumdioxid oderSiliciumtetrafluorid, mit unedlen Metallen gewonnen werden. Bei Reaktion 2.) handelt es sich um einaluminothermisches Verfahren, das jedoch nur unter Zusatz von elementarem Schwefel funktioniert, die dritte Route entspricht der Elemententdeckung:
Hochreaktives amorphes Silicium kann durch Reduktion mitNatrium oderAcidolyse vonSiliciden erhalten werden:
Global wurden 2020 Silicium und Ferrosilicium im Ausmaß von 8,1 Millionen Tonnen erzeugt. Führende Herstellerländer für Ferrosilicium waren dieVolksrepublik China,Russland undNorwegen. Bei metallischem Silicium waren es China,Brasilien und Norwegen. Metallisches Silicium befindet sich auch auf der Liste kritischer Rohstoffe der EU.[27] Mit ca. 70 % Weltmarktanteil war China das mit Abstand größte Erzeugerland.Einen Überblick über die globalen Erzeugermengen gibt folgende Tabelle:[28]
Erzeugermengen Silicium und Ferrosilicium (in t Siliciumgehalt)
Elementares Silicium findet in unterschiedlichenReinheitsgraden Verwendung in derMetallurgie (Ferrosilicium), derPhotovoltaik (Solarzellen) und in derMikroelektronik (Halbleiter,Computerchips). Demgemäß ist es in der Wirtschaft gebräuchlich, elementares Silicium anhand unterschiedlicher Reinheitsgrade zu klassifizieren. Man unterscheidet Simg (metallurgical grade, Rohsilicium, 98–99 % Reinheit), Sisg (solar grade, Solarsilicium, Verunreinigungen kleiner 0,01 %) und Sieg (electronic grade, Halbleitersilicium, Verunreinigungen kleiner 10−9). Für Solarzellen ist die Reinheit des Materials in seiner gesamten Stärke wichtig, um eine möglichst lange Ladungsträger-Lebensdauer zu gewährleisten, für viele Anwendungen in der Mikroelektronik müssen nur die oberen Schichten von etwa 20 bis 30 µm hochrein sein.
Nach mehrerenDestillationsschritten wird das Trichlorsilan in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliciumstäben bei 1000–1200 °C wieder thermisch zersetzt.[30] Das elementare Silicium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Als Nebenprodukt fälltSiliciumtetrachlorid an, das entweder zu Trichlorsilan umgesetzt und in den Prozess zurückgeführt oder in der Sauerstoffflamme zu pyrogenerKieselsäure verbrannt wird.
Im industriellen Maßstab wird elementares Silicium durch die Reduktion von Siliciumdioxid mitKohlenstoff imSchmelz-Reduktionsofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C gewonnen. Ausgangsmaterial ist Quarzsand oder Quarzkies.
Von diesem industriellen Rohsilicium (Simg) wurden im Jahre 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen hergestellt. Es ist für metallurgische Zwecke ausreichend sauber und findet Verwendung als Legierungsbestandteil und Desoxidant für Stähle (Verbesserung derKorrosionsbeständigkeit, Unterdrückung vonZementit) sowie als Ausgangsstoff für dieMonosilanherstellung über dasMüller-Rochow-Verfahren, die schließlich vor allem zur Herstellung vonSilikonen dienen. Zur Herstellung vonFerrosilicium für die Stahlindustrie (Desoxidationsmittel imHochofenprozess) wird zweckmäßigerweise nachfolgende Reaktion unter Anwesenheit von elementaremEisen durchgeführt.
Weitere Aufschlussmöglichkeiten von SiO2 sind:
Der Sodaaufschluss bei ca. 1600 °C in derSchmelzwanne:
Der Hydrothermalaufschluss bei ca. 200 °C mit Wasser imAutoklaven:
Für die Produktion vonSolarzellen wird das Rohsilicium weiter zum sogenannten Solarsilicium (Sisg) (Reinheit >99,99 %) gereinigt. Die verschiedenen dafür eingesetzten Verfahren haben viele aufwendige Zwischenschritte und sind der energieintensivste Teil bei der Herstellung von Solarzellen. Im Zuge von staatlichen Fördermaßnahmen sowie geringeren Energiekosten durch die Verwendung von billigem Strom aus Kohle haben chinesische Anbieter von Solarsilicium ihren Marktanteil zuletzt (Stand Ende 2019) deutlich steigern können.[31]
Ein übliches Verfahren ist die Herstellung vonTrichlorsilan aus metallurgischem Silicium und die anschließendeDestillation des Trichlorsilans. Das reine Trichlorsilan wird dannpyrolysiert und das entstehende Silicium schlägt sich an bereits eingeführtem Silicium nieder.[32]
Beispiele sind auch das UMG-Verfahren (Upgraded Metallurgical Grade) und das FBR-Verfahren (Fluidized Bed Reactor).[33]
Eine chlorfreie Möglichkeit stellt die Zersetzung vonMonosilan dar, das nach einem Reinigungsschritt an beheizten Oberflächen oder beim Durchleiten durchWirbelschichtreaktoren wieder zerfällt.[34]
Bei polykristallinen Solarzellen ist eine höhere Reinheit nicht sinnvoll, weil sich zwar durch die Unreinheiten die Quantenausbeute verringert und sich der Leckstrom erhöht – beides wird jedoch in dieser Weise auch durch die Kristallfehler an den Korngrenzen beeinflusst. Die Effizienz monokristalliner Solarzellen aus hochreinem Silicium ist insbesondere bei geringer Beleuchtung höher. Obwohl sie teurer sind, werden sie unter anderem in Österreich seit 2020 marktbeherrschend verbaut.[35]
Nur noch von historischem Interesse ist ein Verfahren, das von der FirmaDuPont angewendet wurde. Es basierte auf der Reduktion vonTetrachlorsilan mit elementaremZinkdampf bei Temperaturen von 950 °C.[36]
Aufgrund technischer Probleme und des in großen Mengen als Abfall anfallendenZinkchlorids wird dieses Verfahren jedoch heute nicht mehr angewendet.
Für Anwendungen in derMikroelektronik wird hochreines,monokristallines Silicium (Sieg) benötigt. Insbesondere Verunreinigungen mit Elementen, die auch alsDotierelemente geeignet sind, müssen durch Tiegelziehen oderZonenschmelzen auf Konzentrationen unterhalb bestimmter kritischer Werte gebracht werden. Der HerstellerShin-Etsu bewarb eine „11N“-Reinheit (= 99,999 999 999 %) seinerIngots.[37]
BeimTiegelziehen (Czochralski-Verfahren) wird das im Siemensverfahren erhaltene Solarsilicium inQuarztiegeln geschmolzen. EinImpfkristall aus hochreinem, monokristallinem Silicium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silicium in monokristalliner Form auf dem Kristall auskristallisiert und dadurch fast alle Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist dieSchmelzpunkterniedrigung und Neigung von Stoffen, möglichst rein zu kristallisieren.
Alternativ wird beimZonenschmelzen mit Hilfe einer (ringförmigen) elektrischenInduktionsheizung 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 gängigenComputerchips, 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 beispielsweiseIndium,Antimon,Arsen,Bor oderPhosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silicium in einem weiten Bereich verändert werden. Vor allem mittels der dadurch erzeugbarenPN-Übergangs-Effekte lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silicium-Zeitalter. Auch die BezeichnungSilicon Valley (dt. „Silicium-Tal“) für die Hightech-Region inKalifornien weist auf die enorme Bedeutung des Siliciums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.
Amorphes Silicium kann mit Hilfe vonExcimerlasern in polykristallines Silicium umgewandelt werden. Dies ist für die Herstellung vonDünnfilmtransistoren (engl.thin-film transistor, TFT) fürFlachbildschirme von zunehmender Bedeutung.
Silicium ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Dabei ist für Solar-Anwendungen primär das polykristalline Silizium relevant. Für Halbleiterprodukte (Mikroelektronik) sind monokristalline Wafer notwendig.[38][39]
Erweitertes Zonenschema von Silicium (nicht besetzte Bereiche eingefärbt)
Silicium ist, wie die im Periodensystem benachbartenGermanium,Gallium,Phosphor undAntimon, einElementhalbleiter. Der gemäß demBändermodell geltende energetische Abstand zwischenValenzband undLeitungsband beträgt 1,107 eV (bei Raumtemperatur). Durch Dotierung mit geeigneten Dotierelementen wie beispielsweiseBor oderArsen kann die Leitfähigkeit um einen Faktor 106 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 alsStörstellenhalbleiter bezeichnet werden. DerGitterparameter beträgt 543 pm.
Spektrum des komplexenBrechungsindex (N =n + ik) von Silicium
Der von der Wellenlänge des Lichts abhängige komplexeBrechungsindex ist im nebenstehenden Bild dargestellt.[40][41] Auch hier lassen sich Informationen über dieBandstruktur ablesen. So erkennt man anhand des stark steigenden Verlaufs desExtinktionskoeffizientenk einen direktenBandübergang bei 370 nm (EΓ1 = 3,4 eV). Ein weiterer direkter Bandübergang ist bei ≈ 300 nm (EΓ2 = 4,2 eV) zu beobachten. Der indirekte Bandübergang von Silicium (Eg = 1,1 eV) kann nur erahnt werden. Dass weitere indirekte Bandübergänge vorhanden sind, ist an der weit auslaufenden Kurve vonk für Wellenlängen > 400 nm erkennbar.
Wie Wasser und einige wenige andere Stoffe weist Silicium eineDichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form (bei Tm = 1685 K) um 10–11 %[42] höher als in fester, kristalliner Form (c-Si) bei 300 K.
In allen in der Natur auftretenden und in der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silicium ausschließlichEinfachbindungen aus. Die Stabilität der Si-O-Einfachbindung im Gegensatz zur C-O-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 angeseheneDoppelbindungsregel, 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 vonchlorhaltiger odersalpetersäurehaltigerFlusssäure (in denen sichHexafluorosilicat bildet) ist Silicium in Säuren unlöslich, da es zur Passivierung durch die Bildung einer festenSiliciumdioxidschicht kommt.[43][44] Leicht löst es sich hingegen in heißenAlkalilaugen unter Wasserstoffbildung.[43] Trotz seines negativen Normalpotenzials (−0,81 V) ist es in kompakter Form reaktionsträge, da es sich an der Luft mit einer schützenden Oxidhaut überzieht.
Die mechanischen Eigenschaften von Silicium sindanisotrop (richtungsabhängig).[45][46] Je nach gewählterKristallorientierung nimmt derElastizitätsmodul Werte zwischen 130 GPa und 188 GPa an.[47] Eine allgemeine Beschreibung des elastischen Verhaltens erfolgt inVoigt-Notation wie für allekubischen Kristalle über die drei unabhängigen elastischen Konstanten C11, C12 und C44. Die Elastizitätsmatrix ist für Silicium:
Die elastischen Konstanten haben dabei folgende Werte:
Aus den elastischen Konstanten lassen sich für die einzelnenHauptkristallrichtungen des Siliciums (100),(110) und (111) die jeweiligen Elastizitätsmodule errechnen[47]:
Es sind insgesamt 23Isotope zwischen22Si und45Si des Siliciums bekannt. Von diesen sind drei, die Isotope28Si,29Si und30Si, stabil und kommen in der Natur vor. Das Isotop mit dem größten Anteil an der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist28Si mit 92,223 %,29Si hat einen Anteil von 4,685 % und30Si von 3,092 %. Die langlebigsten instabilen Isotope sind32Si, das mit einerHalbwertszeit von 153 Jahren unterBetazerfall in32P (Phosphor) übergeht und31Si, das mit einer Halbwertszeit von 157,36 Minuten ebenfalls unter Betazerfall zu31P zerfällt. Alle anderen Isotope haben nur kurze Halbwertszeiten von Sekunden oder Millisekunden.[48]
28Si entsteht in schweren Sternen gegen Ende ihrer Entwicklung in großen Mengen (Sauerstoffbrennen). Dies ist der Grund für den hohen Anteil von28Si am gesamten Silicium (92,23 %) bzw. auch an derHäufigkeit von Silicium im Vergleich zu anderen Elementen. Seit 2009 liefen Versuche, dieSI-BasiseinheitKilogrammneu zu definieren als eine bestimmte Menge von28Si-Atomen; diese Versuche führten im November 2018 zu einer entsprechenden Neudefinition.
Dasradioaktive Isotop31Si zerfällt rasch (Halbwertszeit 157,3 Minuten) durchBetastrahlung zu stabilemPhosphor. Dieser Umstand kann genutzt werden, um sehr homogenn-dotiertes Silicium herzustellen. Dazu wird Silicium mit Neutronen bestrahlt, durchNeutroneneinfang entsteht dann31Si und folglich31P. Eine für dieses Verfahren geeignete Neutronenquelle ist dieForschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz. Langlebiger ist32Si mit einer Halbwertszeit von 153 Jahren. Spuren dieses Isotops entstehen in der Erdatmosphäre durchSpallation vonArgon durchkosmische Strahlung.32Si zerfällt zu dem ebenfalls radioaktiven32P (Halbwertszeit 14,3 Tage), und dann weiter zu stabilem32S (Schwefel). Alle weiteren Isotope zerfallen innerhalb weniger Sekunden (vgl.Liste der Isotope).
1947 entdecktenJohn Bardeen,Walter Brattain undWilliam Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, denTransistor, zunächst an einemGermanium-Einkristall. Das verbindungsfreudige Silicium konnte erst später in der für elektronische Zwecke notwendigen Reinheit isoliert werden. 1958 entwickeltenRobert Noyce beiFairchild undJack S. Kilby beiTexas Instruments unabhängig voneinander dieintegrierte 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 meistenSolarzellen.
Silicium wird außerdem als Anoden-Material in Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt bzw. hinzugesetzt, um die Energiedichte zu erhöhen.[50]
Im November 2005 wurde von ersten erfolgversprechenden Versuchsergebnissen mit Siliciumlasern berichtet.
Silicium wird als energiereicher Brennstoff in vielen Explosivstoffen verwendet.[51]
Da sich Silicium beim Erstarren ausdehnt, während sich die meisten Stoffe zusammenziehen, wird es vielenGusslegierungen zulegiert.Gusseisen enthält beispielsweise immer etwa 2 % Si. Besondere Bedeutung habenAluminium-Silicium-Legierungen, in denen der Si-Gehalt bis 20 % betragen kann. Dies ist von allen Aluminiumgusswerkstoffen die wichtigste Sorte.[52][53]
Weil Silicium flexibel und nicht magnetisierbar ist, werden dieUnruhspiralen in manchen Armbanduhren aus Silicium hergestellt.[54]
Silicium tritt in chemischen Verbindungen fast immervierwertig 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 dasSiliciummonoxid, das als Material zurVergütung vonoptischen Linsen verwendet wird.Darüber hinaus wurde 2012 auch eine dreifach koordinierte Verbindung ähnlich der eindimensionalen Struktur vonGraphen experimentell nachgewiesen, dem sogenanntenSilicen.[56]
Die gesamte Chemie des Siliciums ist im Wesentlichen durch die hohe Affinität des Siliciums zumSauerstoff 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 echteAnionen ausbilden kann.
Inversion der Bindungspolarität
Besonders erwähnenswert ist die Inversion derBindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang vonKohlenstoff zum Silicium. Hier ändert sich die Elektronegativitätsdifferenz von +0,45 (Kohlenstoff-Wasserstoff) auf −0,2, weshalb Siliciumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität alsKohlenwasserstoffe aufweisen.
Die wichtigsten Verbindungen des Siliciums kann man in folgende Klassen einteilen, von denen jeweils einige Vertreter genannt sind:
Silikone (Silicone, Polyorganosiloxane) entstehen durchPolymerisation und gehören zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen. Polymere Silicium-Sauerstoff-Verbindungen finden Anwendung in vielen Bereichen; so dienen sie alsSchmiermittel undDichtstoffe in der Kosmetik- und Bauindustrie.
Bis heute kommt es immer wieder vor, dass das englische Wort „silicon“ (für Silicium) in populärwissenschaftlichen Medienbeiträgen oder bei Filmsynchronisationen fälschlich als „Silikon“ (engl. „silicone“) übersetzt bzw. ausgesprochen wird. Dies geschah beispielsweise in der Science-Fiction-SerieStar Trek, demJames-Bond-AgententhrillerIm Angesicht des Todes oder in der ZeichentrickserieDie Simpsons. Beispiel: „Besteht die Lebensform aus Kohlenstoff oder aus Silikon?“[57] Auch in einerZDFinfo-Dokumentation wurde erklärt, dassSolarzellen „Silikon enthalten“.[58]
Sogar in nicht übersetzten Texten wie dem 1980er-Jahre-HitMonopoli fiel Songschreiber undInterpretKlaus Lage auf die falsche Verwendung herein, denn er textete: „[…] deinen Job macht jetzt ein Stück Silikon […]“.
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 ungefähr1⁄4 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.[59]
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