Silicium
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© stu2012/04/15

Si steht im PSE in der IV. Hauptgruppe, hat 4 Außenelektronen, hat also meist Oxidationszahl +IV und selten +II. Es ist ein dunkelgraues, hartes Nichtmetall mit kristalliner diamantähnlicher Gitterstruktur und ein Halbleiter. Geringe Verunreinigungen ("Dotierung") steigern die Leitfähigkeit um Größenordnungen.
Silicium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element in der Erdkruste - daher sind Silicium-Sauerstoff-Verbindungen wie SiO2 und Silikate die Hauptbestandteile unserer Erdkruste (Gesteine, Sand).

O: 49,4 % Si: 25,8 % Al: 7,5 % Fe: 4,7 % Ca: 3,4 %
Na: 2,6 % K: 2,4 % Mg: 1,9 % H: 0,9 % Ti: 0,6 %

Silicium

Vorkommen: Vor allem als Quarz (SiO2) und in Silicaten (Salze der Kieselsäure).
Gewinnung:

Im Labor durch Reaktion von Siliciumdioxid mit Aluminium zu Silicium und Aluminiumoxid ("Aluminothermie")
 
1) ... ...... + ... ..... => ... ..... + ... .....

Anschließend wird das Aluminiumoxid mit Salzsäure aufgelöst und Si bleibt zurück:
 
2) ... ..... + ... ..... => ... ..... + ... .....

Technische Herstellung: 

Durch Reduktion von Quarz mit Kohlenstoff:
 
3) ... ..... + ... ..... => ... ..... + ... .....

Reinstsilicium gewinnt man durch thermische Reduktion von HSiCl3 mit Wasserstoff bei 1200°C:
 
4) HSiCl3 + ... ..... => ... ..... + ... .....

Das Silizium wird danach im Zonenschmelzverfahren extrem gereinigt. Dabei wird ein Siliciumblock im Vakuum langsam an einem Ende zur Schmelze gebracht und die geschmolzene Zone durch den ganzen Block geführt. Verunreinigungen sammeln sich in der Schmelze und im erkalteten Teil gibt es hochreines exakt kristallisiertes Silicium. Dieses wird dann vor allem in der Halbleitertechnik verwendet.


Silicium (Thomas Seilnacht)

Siliciumdioxid - Quarz

hat einen Schmelzpunkt von über 1700°C, kommt kristallin und amorph (feinkristallin) vor. Bekannte Erscheinungsformen sind: Bergkristall, Amethyst, Citrin, Rauchquarz und Rosenquarz. Er ist Bestandteil von Granit, Glimmer, Gneis, Sandstein und Sand und Hauptbestandteil von Opal, Achat, Onyx und Feuerstein. Quarz ist chemisch sehr widerstandsfähig (außer gegen Flusssäure).
Quarzglas besteht aus geschmolzenem Bergkristall und wird für spezielle optische Geräte eingesetzt, da es UV-Licht durchlässt.

Quarz (Thomas Seilnacht)

Glas

Glas ist eigentlich eine unterkühlte Schmelze, das heißt eine sehr zähe Flüssigkeit.
Gläser stellt man prinzipiell aus Quarz und Carbonaten her, dabei bilden sich Gemische aus Quarz und Metalloxiden. Fensterglas kann man aus Quarz und Kalk und Soda bei Temperaturen jenseits von 1000°C herstellen (vereinfacht):
5)
6
SiO2 + Na2CO3 + CaCO3 => Na2O + CaO +
2
CO2 + 6
SiO2

Zusammensetzung üblicher Gläser:
 
Na2O
:
CaO
:
SiO2
1
:
1
:
6

Je nach Verwendung werden für spezielle Gläser andere Metalloxide zugesetzt. Auch zur Färbung der Gläser verwendet man entsprechende Metalloxide.

Bei der Herstellung von Glas werden 10 bis 90 % Altglas zugesetzt, dabei werden 25% der zum Schmelzen nötigen Energie gespart.


Silicate

Da Silicium vierwertig ist gibt es (ähnlich wie beim Kohlenstoff) eine großeZahl möglicher Makromoleküle. Die Silicate leiten sich von der "Kieselsäure" H4SiO4 ab, die es als freie Säure nicht gibt. Durch "Kondensation" (Wasserabspaltung) könne sich darausverzweigte und vernetzte Makromoleküle bilden - die Polykieselsäuren. Davon leiten sich die Silikate ab. Statt der H-Atome stehen den negativ geladenen SiO4 -Tetraedern  positiv geladene Metall-Kationen gegenüber.
Da das Si-Atom in der Mitte eines Tetraeders befindet, gibt es eine Vielzahl möglicher Silikate.

Silicagel - "Kieselgur"

Silicagel ist feste pulverförmige Polykieselsäure, die normalerweise mit "Kristallwasser" kristallisiert. Durch Erhitzen kann das Kristallwasser entzogen werden. Dann eignet sich das Silicagel als Trockenmittel.
In vielen Verpackungen (z.B. von Elektro- und Elektronikgeräten) findet man heute Säckchen mit diesem Inhalt um störende Feuchtigkeit zu binden.
Diese Säckchen kann man zum Müll geben, sie sind umweltneutral.

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