Silicium

Silicium – Chemie

Das chemische Element Silicium mit dem Symbol $Si$ zählt zu den ganz wichtigen Elementen. Ohne Silicium gäbe es keine Pyramiden, keinen Kölner Dom, keine Computer und kein Internet! Vielleicht hast du schon einmal vom Silicon Valley, übersetzt Silicium‑Tal, gehört. Dies ist die Region, in der viele der heute weltweit größten Computer- und Internetkonzerne sitzen. Der Name Silicium leitetet sich übrigens vom lateinischen Wort silex für Kieselstein ab. Du wirst sehen, die Silicium‑Chemie ist sehr vielfältig.

Entdeckung und Vorkommen von Silicium

Eine ganze Reihe der berühmtesten Chemiker beschäftigte sich mit Silicium. Zunächst sagten Antoine Lavoisier im Jahr 1787 und Humphry Davy im Jahr 1800 die Existenz von Silicium voraus. 1811 stellten Louis Gay‑Lussac und Louis Thénard erstmals unreines Silicium her. Die Darstellung reinen Siliciums gelang 1824 erstmals dem berühmten schwedischen Chemiker Jakob Berzelius. Berzelius taufte das neue Element auf den Namen Silicium.

Silicium ist das zweithäufigste Element der Erde. Sein Anteil an der gesamten Masse der Erdhülle beträgt mehr als ein Viertel! Fast alle Steine, Minerale und auch Edelsteine enthalten viel Silicium. Gehst du an den Strand, dann denke daran: Der ganze Sand besteht aus fast nichts anderem als Siliciumdioxid ($SiO_2$). Das gilt auch für die Kieselsäure und den Kieselstein.

Die Stellung von Silicium im Periodensystem

Das Element Silicium hat im Periodensystem der Elemente die Ordnungszahl 14. Es steht in der dritten Periode direkt unter Kohlenstoff und gehört zu den Elementen der IV. Hauptgruppe. Silicium ist ein Halbmetall. Die häufigsten Oxidationszahlen sind $+IV$ und $-IV$, seltener $+II$.

Silicium – Eigenschaften

Silicium ist ein dunkelgraues Halbmetall, es kann amorph oder kristallin vorliegen. Als Kristall glänzt es. Silicium ist spröde und mit einer Mohshärte von 6,5 ist es härter als Eisen, jedoch weicher als Wolfram. Seine Dichte liegt zwischen der von Magnesium und Aluminium. Sein Schmelzpunkt liegt zwischen den Schmelzpunkten von Kupfer und Eisen.

Silicium – Herstellung

• Die frühen Entdecker wie Thénard und Berzelius haben Silicium aus der Reaktion von Siliciumtetrafluorid ($SiF_4$) mit Kalium ($K$) gewonnen, dabei entsteht auch Kaliumfluorid ($KF$):
  $SiF_4 + 4 ~K \longrightarrow Si + 4 ~KF$

• Industriell gewinnt man Rohsilicium aus der Reduktion von Siliciumdioxid ($SiO_2$), das ist Quarzsand, mit Kohlenstoff ($C$):
  $SiO_2 + C \xrightarrow{2000 ^\circ\text{C}} Si + CO_2$

• Im Labor gewinnt man Silicium aus der Reduktion von Siliciumdioxid mit Magnesium ($Mg$) oder Aluminium ($Al$), dabei entstehen auch Magnesiumoxid ($MgO$) bzw. Aluminiumoxid ($Al_2O_3$):
  $SiO_2 + 2 ~Mg \longrightarrow Si + 2 ~MgO$
  $3 ~SiO_2 + 4 ~Al \longrightarrow 3 ~Si + 2 ~Al_2O_3$

• Besonders reines und kristallines Silicium für Solarzellen erhält man beispielsweise aus der Zersetzung von Monosilan ($SiH_4$) unter Bildung von Wasserstoff ($H_2$):
  $SiH_4 \longrightarrow Si + 2 ~H_2$

Es gibt noch viele weitere Verfahren zur Gewinnung von Silicium.

Reaktionen von Silicium

Silicium ist chemisch sehr beständig!

• Reaktion mit Sauerstoff: Bei hohen Temperaturen reagiert Silicium mit Sauerstoff zu Siliciumdioxid:
  $Si + O_2 \longrightarrow SiO_2$

• Reaktion mit Halogenen: Schon bei Raumtemperatur reagiert Silicium sehr heftig mit dem Halogen Fluor ($F_2$) unter Bildung von Siliciumtetrafluorid ($SiF_4$), das auch Tetrafluorsilan heißt.
  $Si + 2 ~F_2\longrightarrow SiF_4$

• Reaktion mit Säuren: Abgesehen von einer Ausnahme reagiert Silicium nicht mit Säuren, nur die Flusssäure ($HF$) greift Silicium an.

• Reaktion mit Basen: Silicium reagiert mit Basen, wobei sich Silicat und Wasserstoff ($H_2$) bildet:
  $Si + 2 ~(OH)^{-} + H_2O \longrightarrow {SiO_{3}}^{2-} + 2~ H_2$

Wichtige Siliciumverbindungen

Silane
Silane sind flüchtige und brennbare Verbindungen von Silicium mit Wasserstoff. Sie haben die allgemeine Formel $Si_nH_{2n+2}$ und erinnern damit stark an die Kohlenwasserstoffgruppe der Alkane. Das einfachste Silan ist das Monosilan $SiH_4$. Bei der Reaktion von Lithiumaluminiumhydrid ($LiAlH_4$) mit Siliciumchlorid ($SiCl_4$) wird Monosilan neben Lithiumchlorid ($LiCl$) und Aluminiumchlorid ($AlCl_3$) gebildet:
$LiAlH_4 + SiCl_4 \longrightarrow SiH_4 + LiCl + AlCl_3$

Silane verbrennen mit Sauerstoff explosionsartig zu Silciumdioxid:
$SiH_4 + 2 ~O_2 \longrightarrow SiO_2 + 2 ~H_2O$

Bei der Hydrolyse (das ist die Reaktion mit Wasser) der Silane entsteht Siliciumdioxid und Wasserstoff:
$SiH_4 + 2 ~H_2O \longrightarrow SiO_2 + 4 ~H_2$

Siliciumhalogenide
Die Siliciumtetrahalogenide sind vom Typ $SiX_4$ mit X = $F$, $Cl$, $Br$ und $I$. Siliciumtetrafluorid ($SiF_4$) oder Tetrafluorsilan gewinnt man aus der Reaktion von Siliciumdioxid mit Flusssäure:
$SiO_2 + 4 ~HF\longrightarrow SiF_4 + 2 ~H_2O$

Alternativ und weniger gefährlich gewinnt man $SiF_4$ aus der Umsetzung mit Fluorsulfonsäure ($HSO_3F$):
$SiO_2 + 2 H_2O + 4 ~HSO_3F\longrightarrow SiF_4 + 4 ~H_2SO_4$

Siliciumchlorid ($SiCl_4$) oder Tetrachlorsilan entsteht bei der Reaktion von Siliciumdioxid mit Chlor und Kohlenstoff, der dabei zu Kohlenstoffmonoxid ($CO$) oxidiert wird:
$SiO_2 + 2 ~Cl_2 + 2 ~C\longrightarrow SiCl_4 + 2 ~CO$

Siliciumdioxid
Siliciumdioxid ($SiO_2$) ist eine der häufigsten Verbindungen überhaupt. Reines Siliciumdioxid ist Quarz, es ist aber auch der Hauptbestandteil von Sand und den meisten Steinen und Mineralen. Mit Säuren reagiert Siliciumdioxid in der Regel nicht, ausgenommen die beschriebene Reaktion mit Flusssäure. Mit Natronlauge ($NaOH$) reagiert Siliciumdioxid unter Bildung von Natriumsilicat ($Na_2SiO_3$):
$SiO_2 + 2 ~NaOH \longrightarrow Na_2SiO_3 + 2 ~H_2O$

Silicate
Die Silicate sind eine wichtige und große Mineralfamilie mit der allgemeinen Formel $M_n[(Si_xO_y)^{4y-2y}]$, wobei $n, x, y$ natürliche Zahlen sind. Alle Silicate zeigen als Strukturmerkmal $SiO_4$-Einheiten in Form eines Tetraeders mit Silicium im Zentrum des Tetraeders. Diese $SiO_4$-Tetraeder können zu polymeren Strukturen verknüpft sein. Man unterscheidet folgende Silicate:

• Inselsilicate bestehen aus isolierten $SiO_4$‑Tetraedern. Beispiele für Minerale dieser Art sind Olivin und Zirkon.
• Gruppensilicate bestehen aus $Si_2O_7$‑Einheiten. Das sind in der Struktur zwei über eine gemeinsame Ecke verknüpfte $SiO_4$‑Tetraeder. Beispiel: Gehlenit
• In Ringsilicaten sind die $SiO_4$‑Tetraeder zu Ringen verknüpft. Beispiele dafür sind die Halbedelsteine Aquamarin und Turmalin.
• In Ketten- und Bandsilicaten werden die $SiO_4$‑Tetraeder zu Ketten verknüpft. Beispiele dafür sind die Minerale Spodumen und Aktinolith.
• Schichtsilicate bestehen aus ganzen Schichten verknüpfter $SiO_4$-Tetraeder, ein wichtiger Vertreter ist der Glimmer.

• Gerüstsilicate sind dreidimensionale, sehr komplex aufgebaute Silicate. Zu ihnen zählen die Feldspate und Zeolithe.

Verwendung von Silicium und Siliciumverbindungen

• Für die gesamte Mikroelektronik und damit für alle Computer, Smartphones und Tablets sind Silicium‑Chips aus Silicium‑Wafern mit extrem verkleinerten integrierten Schaltungen unverzichtbar.
• Solarzellen bestehen aus kristallinem Silicium. Bei ihnen wird die Eigenschaft des Siliciums als Halbleiter direkt zur Stromerzeugung mit Licht genutzt.
• Siliciumdioxid ist in der Form von Sand seit Jahrtausenden ein sehr wichtiges Baumaterial.
• Siliciumdioxid wird als Trockenmittel zu Verpackungen gegeben.
• Siliciumcarbid ($SiC$) und Siliciumnitrid ($Si_3N_4$) sind sehr hart und werden als Schleifmittel oder in speziellen Keramiken eingesetzt.
• Zeolithe werden wegen ihrer Hohlraumstrukturen als Trennmittel zur Trennung von Gas- und Flüssigkeitsgemischen, aber auch in Waschmitteln eingesetzt.

Du siehst, Silicium hat chemisch viel zu bieten.

Hinweise zum Video

Das Video gibt dir eine Übersicht zum Element Silicium, seinen Eigenschaften und Verwendungen. Um die Inhalte zu verstehen, solltest du schon über Vorkenntnisse in der Chemie verfügen und dich bei Redoxreaktionen und in den Themen Basen, Säuren und Salze auskennen.

Du findest hier auch Übungen und Arbeitsblätter. Beginne mit den Übungen, um gleich dein umfangreiches Wissen über Silicium aus dem Video zu testen.