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Nichtmetalle: Silizium

Symbol: Si
Kategorie: Nichtmetalle
Ordnungszahl: 14
Relative Atommasse: 28,0855
Schmelzpunkt: 1683 K
Siedepunkt: 2628 K
Dichte: 2,33 g cm-3
Elektronegativität: 1,7
Ionisierungsenergie: 8,151 eV
Konfiguration: [Ne] 3s² 3p²
Oxidationszahlen: 4, 2, -4
Atomradius: 117 pm
Ionenradius: 26 pm (+4); 271 pm (-4)

Der nachfolgende Artikel ist dem Lexikon der Chemie entnommen.

Mehr als ein Viertel der Erdkruste besteht aus Silizium; es ist neben Sauerstoff der Hauptbestandteil von Silikaten, den häufigsten gesteinsbildenden Mineralen. Es entsteht bei Supernovae und kommt in der Natur praktisch nur in Verbindungen mit Sauerstoff vor, dort aber in enormer Vielfalt. Der Grundbaustein der Silikate, ein Siliziumatom im Zentrum eines Tetraeders aus vier Sauerstoffatomen, bildet verschiedene Arten von Strukturen, nach denen solche Mineralien benannt sind: Inselsilikate, Kettensilikate, Ringsilikate, Schichtsilikate und so weiter. Geladene Atome anderer Elemente, meist Metalle, gleichen die negativen Ladungen der Grundbausteine aus und sind dabei oft untereinander austauschbar. Es gibt sehr, sehr viele Silikate.

Die wichtigsten technischen Silikate, Quarzsand und Tone, sind bedeutende Baumaterialien; die wasserdichten Tone nutzt man auch zum Auskleiden von Deponien oder als Kern von Deichen und Dämmen. Viele Gebrauchskeramiken basieren auf Ton, Sand ist Ausgangsmaterial für Glas. Viele Silikate gewinnt man vergleichsweise einfach mit einem Bagger; die weltweiten Reserven an geeignetem Bausand schrumpfen allerdings so stark, dass sich um seinen Abbau bereits mafiöse Strukturen bilden.

Elementares Silizium ist bei Raumtemperatur recht reaktionsträge, weil es, ähnlich wie Aluminium, eine Schutzschicht aus Siliziumdioxid bildet. Wie Kohlenstoff ist es in den meisten seiner Verbindungen vierwertig, insgesamt ähnelt es chemisch aber eher dem Germanium. Es ist weit überwiegend tetraedrisch von anderen Atomen umgeben; anders als Kohlenstoff bildet es nur ungern Mehrfachbindungen und Ketten mit sich selbst – mit der Ausnahme des Silicens, dem Gegenstück zum Graphen. Die strukturelle Vielfalt, die in der organischen Chemie des Kohlenstoffs steckt, bieten beim Silizium die Silikate. Allerdings sind derzeit keine darauf basierenden Lebensformen bekannt.

Elementares Silizium, meistens zuerst in Form der Legierung Ferrosilizium, gewinnt man dagegen, indem man Quarzsand zusammen mit Stahlschrott in einem Lichtbogenofen mit hochreinem Koks reduziert. Der Prozess benötigt große Mengen elektrische Energie. Alternativ reduziert man Silikate gelegentlich auch mit reinem Aluminium, dabei entsteht das Element in einer Reinheit von etwa 98,5 Prozent. Hochreines Silizium für die Halbleitertechnik gewinnt man, indem man Rohsilizium mit Chlor zu Tetrachlorsilan oder Trichlorsilan umsetzt, diese Verbindungen dann zu hoher Reinheit destilliert und mit Zink wieder das Silizium zurückgewinnt. Weitere Reinigungsprozesse können Silizium mit Reinheiten bis in den Bereich von einer Verunreinigung pro Billion Siliziumatome erzeugen.

Neben den Halbleiteranwendungen ist Silizium als Legierungsbestandteil für Aluminiumbauteile bedeutsam; solche Legierungen schrumpfen beim Abkühlen kaum, haben weniger Mikrorisse und sind härter und widerstandsfähiger. Silikone, Kunststoffe auf Silizium-Sauerstoff-Basis, dienen wiederum als Schmierstoffe, Dichtungsmaterialien, Formteile und anderes. Bei der Stahlproduktion wiederum ist Ferrosilicium ein wichtiger Zuschlagstoff, um überschüssigen Sauerstoff zu entfernen, ohne den Anteil an Kohlenstoff zu verändern.

Obwohl das Element so häufig ist, spielt es keine übermäßig große biologische Rolle. Einige Organismen, zum Beispiel Schwämme und Kieselalgen, bilden Skelette aus Silikaten, und beim Menschen ist es an der Herstellung von Kollagen beteiligt. Möglicherweise spielt auch eine Rolle beim Knochenbau. Einige Silikate können gesundheitsschädlich sein, zum Beispiel in Form von Asbest, einer Klasse von faserigen Silikaten, die beim Einatmen die Lungenkrankheit Asbestose auslösen.

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