Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Schalen – eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo silicium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Mit ~ gekennzeichnete Werte sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 111 pm — that is 0.111 nm, so about 4505 million of them side by side would span a millimetre.
Temperaturbereich
Silicium is liquid over a 1851 K window, from 1687 K to 3538 K.
Die Geschichte
Silicium ist das Element, das das Informationszeitalter aufgebaut hat und den größten Teil des Bodens unter Ihren Füßen bildet. Nach Sauerstoff ist es das häufigste Element in der Erdkruste und bildet das Grundgerüst von Gesteinen, Sand und Glas. Die wahre Revolution des Siliciums begann jedoch, als Wissenschaftler lernten, es auf 99.9999999 % zu reinigen – und damit Halbleiterchips herzustellen, die jeden Computer, jedes Smartphone und jedes digitale Gerät mit Energie versorgen. Silicon Valley erhielt seinen Namen von diesem Element, das innerhalb von Sekundenbruchteilen Milliarden Mal zwischen dem Leiten und dem Isolieren von Elektrizität wechseln kann. Von antiken Glasfenstern bis zu modernen Solarmodulen, von Computerchips bis zu Brustimplantaten prägt Silicium unsere Welt auf unzählige Arten. Jedes Sandkorn an jedem Strand besteht größtenteils aus Siliciumdioxid – aus demselben Element, das Ihr Smartphone betreibt, lassen sich also Sandburgen bauen.
Die Entdeckungsgeschichte des Siliciums erstreckt sich über Jahrtausende – von den antiken Glasherstellern, die unwissentlich Siliciumverbindungen verwendeten, bis zu den Chemikern des 19. Jahrhunderts, die das reine Element isolierten und damit letztlich das digitale Zeitalter ermöglichten, das die moderne Zivilisation prägt.
Die Menschen nutzten Siliciumverbindungen mehr als 9.000 Jahre lang, ohne davon zu wissen. Archäologische Funde zeigen, dass antike Zivilisationen die Silikattechnologie lange vor dem Verständnis der Atomtheorie beherrschten.
7000 v. Chr.: Erste Töpferwaren aus siliciumreichen Tonen in China und im Nahen Osten
3500 v. Chr.: Mesopotamische Glasherstellung mit Quarzsand und Pottasche
1500 v. Chr.: Ägyptische Kunsthandwerker stellten kunstvoll verzierte Glasgefäße aus Siliciumdioxid her
500 v. Chr.: Römischer Beton enthielt vulkanische Asche (Puzzolan), die reich an amorpher Kieselsäure war
Die Römer stellten unwissentlich mithilfe siliciumreicher vulkanischer Asche vom Vesuv einige der haltbarsten Betone der Geschichte her. Das Pantheon in Rom, das im Jahr 126 n. Chr. erbaut wurde, steht noch heute teilweise dank seiner mit Silicium angereicherten Betonkuppel.
Die wissenschaftliche Untersuchung des Siliciums begann während der Aufklärung, als Chemiker anfingen, Mineralien und Verbindungen systematisch zu untersuchen.
Der französische Chemiker Antoine-Laurent de Lavoisier vermutete als Erster, dass Kieselsäure (SiO₂) ein unbekanntes Element enthielt. In seinem bahnbrechenden Werk "Elementary Treatise on Chemistry" von 1789 führte Lavoisier Kieselsäure unter den Verbindungen auf, von denen er glaubte, dass sie noch unentdeckte Elemente enthielten, und legte damit den Grundstein für spätere Isolierungsversuche.
Mehrere Chemiker in ganz Europa konkurrierten darum, reines Silicium zu isolieren. Dies führte zu widersprüchlichen Ansprüchen und wissenschaftlichen Kontroversen, die mehr als ein Jahrzehnt andauerten.
Der britische Chemiker Sir Humphry Davy (1778-1829) versuchte 1808 als Erster, Silicium zu isolieren, und verwendete dabei seine neu erfundene elektrische Batterie. Davy versuchte, Kieselsäure zu elektrolysieren, erzeugte jedoch lediglich ein unreines, dunkles Pulver. Obwohl der Versuch erfolglos war, prägte er den Namen "silicon", abgeleitet vom lateinischen "silex" (Feuerstein) und der Endung "-on" (wie bei Kohlenstoff und Bor).
Die französischen Chemiker Gay-Lussac (1778-1850) und Thénard (1777-1857) versuchten, Silicium zu isolieren, indem sie Kalium mit Siliciumtetrafluorid (SiF₄) erhitzten. Sie erzeugten ein braunes Pulver, das sie für Silicium hielten. Spätere Analysen zeigten jedoch, dass es erhebliche Mengen an Siliciumverbindungen statt des reinen Elements enthielt.
Dem schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) gelang am 15. Mai 1824 die erste bestätigte Isolierung von reinem Silicium. Sein systematischer Ansatz und seine sorgfältige Dokumentation machten ihn zum wahren Entdecker des Siliciums.
Berzelius erhitzte Siliciumtetrafluorid (SiF₄) mit metallischem Kalium in einem Eisentiegel:
SiF₄ + 4K → Si + 4KF
Seine Neuerung bestand darin, das Produkt mit Wasser zu waschen, um Kaliumfluorid zu entfernen, und anschließend mit verdünnter Salzsäure zu behandeln, um nicht umgesetztes Kalium aufzulösen. Zurück blieb reines Silicium. Berzelius beschrieb sein Produkt als "ein braunes Pulver mit metallischem Glanz".
Historisches Zitat: "Ich erhielt eine bräunliche Masse, die unter dem Mikroskop aus Metallteilchen zu bestehen schien. Diese Substanz ist Silicium in seinem metallischen Zustand."
Silicium blieb bis zum Aufkommen industrieller Anwendungen im späten 19. Jahrhundert eine Laborkuriosität.
Der französische Chemiker Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) verbesserte die Siliciumherstellung, indem er Kieselsäure bei hohen Temperaturen mit Aluminiumpulver reduzierte. Dieses Verfahren erzeugte Silicium in größerem Maßstab und ermöglichte die ersten kommerziellen Anwendungen.
Edward Goodrich Acheson (1856-1931) entwickelte das Elektroofenverfahren zur Herstellung von Siliciumcarbid (Karborund) und später von reinem Silicium. Sein Unternehmen, The Carborundum Company, wurde zum ersten bedeutenden Siliciumhersteller und lieferte Schleifmittel sowie später Halbleitermaterialien.
Die Entwicklung des Siliciums von einer Laborkuriosität zu einem zivilisationsprägenden Material begann während des Zweiten Weltkriegs mit der Entwicklung der Radartechnologie.
1940: Russell Ohl von Bell Labs entdeckte den photovoltaischen Effekt in Silicium
1947: Der erste Transistor wurde von Bardeen, Brattain und Shockley erfunden (auf Germaniumbasis)
1954: Bell Labs entwickelte die erste praxistaugliche Siliciumsolarzelle (6 % Wirkungsgrad)
1958: Jack Kilby erfand die integrierte Schaltung mit Germanium; Robert Noyce verbesserte sie mit Silicium
1961: Die ersten kommerziellen integrierten Siliciumschaltungen wurden hergestellt
1971: Intel stellte den Mikroprozessor 4004 vor – den ersten Computer auf einem Chip
Heute ermöglicht Silicium weltweite Kommunikation, künstliche Intelligenz, erneuerbare Energien und die Erforschung des Weltraums. Von Berzelius' winzigem braunem Pulver im Jahr 1824 bis zur Versorgung von Prozessoren mit Milliarden Transistoren steht die Entwicklung des Siliciums für eine der folgenreichsten Entdeckungen der Chemie.
Berzelius' Vermächtnis: Der schwedische Chemiker, der Silicium isolierte, hätte sich niemals vorstellen können, dass sein braunes Metallpulver zur Grundlage der größten technologischen Revolution der menschlichen Zivilisation werden würde. Jedes Smartphone, jeder Computer und jedes Solarmodul führt seine Entwicklungslinie auf jenen schicksalhaften Tag im Jahr 1824 zurück, an dem Berzelius erstmals reines Silicium in den Händen hielt.
Anwendungen
Die einzigartigen Halbleitereigenschaften von Silicium haben die menschliche Zivilisation revolutioniert und das digitale Zeitalter sowie die moderne Technologie ermöglicht. Von Smartphones bis hin zu Raumfahrzeugen treiben Geräte auf Siliciumbasis unsere vernetzte Welt an.
Silicium dominiert die Halbleiterfertigung und macht über 95 % aller Computerchips aus. Die Kristallstruktur und die steuerbaren elektrischen Eigenschaften des Elements machen es ideal für die Herstellung von Transistoren, Dioden und integrierten Schaltkreisen.
Siliciumwafer: Ultrapure Siliciumbarren (99.9999999 % rein) werden in Wafer mit einem Durchmesser von 200–300 mm und einer Dicke von 0.775 mm geschnitten. Intels neueste Prozessoren verwenden 3-nm-Prozesstechnologie und bringen über 100 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip unter.
Dotierungsverfahren: Reines Silicium wird mit Spurenmengen von Phosphor (n-Typ) oder Bor (p-Typ) „dotiert“, um halbleitende Eigenschaften zu erzeugen. Bei diesem Verfahren werden Ionen mit Energien von 1–200 keV implantiert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit präzise gesteuert wird.
Fotolithografie: Siliciumwafer werden mithilfe von extrem ultraviolettem (EUV) Licht mit einer Wellenlänge von 13.5 nm fotolithografisch bearbeitet. Die jeweils $200 Millionen teuren EUV-Maschinen von ASML ermöglichen die präzise Strukturierung, die für moderne Prozessoren erforderlich ist.
Photovoltaikzellen aus Silicium wandeln Sonnenlicht durch den photovoltaischen Effekt direkt in Elektrizität um. Moderne Solarmodule aus Silicium erreichen bei kommerziellen Anwendungen einen Wirkungsgrad von 22–26 %.
Siliciumverbindungen bilden durch Glas, Beton und Keramiken das Rückgrat des modernen Bauwesens. Silicate machen 90 % der Erdkruste aus und sind unverzichtbare Baumaterialien.
Moderne Fahrzeuge enthalten über 1.000 Halbleiter auf Siliciumbasis, die Motoren, Sicherheitssysteme und Infotainment steuern. Elektrofahrzeuge verwenden Leistungselektronik aus Siliciumcarbid (SiC) für eine höhere Effizienz.
SiC-MOSFETs: Das Model 3 von Tesla verwendet Siliciumcarbid-Wechselrichter, die mit 650 V arbeiten, die Energieeffizienz um 5 % verbessern und die Ladezeit verkürzen. SiC schaltet mit 10 kHz gegenüber 2 kHz bei Silicium und ermöglicht dadurch kleinere, leichtere Bauteile.
Sensoranwendungen: Silicium-MEMS (mikroelektromechanische Systeme) bilden Beschleunigungssensoren, Gyroskope und Drucksensoren für die Auslösung von Airbags, die Stabilitätskontrolle und die Überwachung des Reifendrucks.
Siliciumtechnologie ermöglicht GPS-Navigation, Satellitenkommunikation und die Erforschung des Weltraums. Strahlungsgehärtete Siliciumchips überstehen die harschen Bedingungen im Weltraum.
Die Biokompatibilität von Silicium ermöglicht medizinische Implantate, Diagnosegeräte und Systeme zur Arzneimittelabgabe. Die inerten Eigenschaften von Silicium machen es ideal für langfristige Implantationen.
Die Siliciumtechnologie umgibt uns in unzähligen Formen, oft unsichtbar, aber stets unverzichtbar. Vom Wecker am Morgen bis zur Unterhaltung am Abend macht Silicium das moderne Leben möglich.
Transistoren in einem einzigen iPhone-13-Prozessor
Weltweit vernetzte Geräte bis 2025
Erforderlicher Reinheitsgrad für Halbleiter-Silicium
Weltweiter Marktwert für Halbleiter (2022)
Ein durchschnittliches Smartphone verfügt über mehr Rechenleistung als die Computer, die Apollo 11 zum Mond führten. Dasselbe Telefon enthält mehr als 1 Milliarde Transistoren – wären alle Transistoren Menschen, könnten sie China bevölkern und es wäre noch reichlich Platz übrig.
Woher es stammt
282000 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 99% of elements
Silicium ist mit einem Massenanteil von 27.7 % das zweithäufigste Element in der Erdkruste und wird nur von Sauerstoff übertroffen. Diese Häufigkeit macht Silicium zum grundlegenden Baustein der Geologie unseres Planeten und zur Grundlage aller siliciumbasierten Technologien.
Silicium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität mit Sauerstoff nie in reiner metallischer Form vor. Stattdessen bildet es unzählige Mineralien und Verbindungen, die buchstäblich die Struktur unseres Planeten aufbauen.
Das häufigste Siliciummineral, das 12 % der Erdkruste ausmacht. Zu finden in:
Bedeutende Fundorte: Brasilianische Quarzminen, Kristallvorkommen in Arkansas, Herkimer-„Diamanten“ (NY)
Häufigste Mineralgruppe in der Erdkruste (50-60 %), darunter:
Bildung: Kristallisation bei hohen Temperaturen in magmatischen Gesteinen
Verwitterungsprodukte feldspatreicher Gesteine:
Wirtschaftliche Bedeutung: Töpferei, Papierbeschichtung, Bohrspülung
Dunkle Silikatminerale in mafischen Gesteinen:
Vorkommen: Basalt, Gabbro, vulkanische Gesteine
Die kosmische Reise des Siliciums begann in den Kernen massereicher Sterne während der Prozesse des Sauerstoffbrennens und Siliciumbrennens. Wenn Sterne mit mindestens der 8-fachen Masse unserer Sonne das Ende ihres Lebens erreichen, erzeugen sie durch Kernfusion Silicium.
Sauerstoffbrennen (1.5-2 Milliarden K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Siliciumbrennen (3+ Milliarden K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Während einer Supernovaexplosion werden diese siliciumreichen Sternkerne in der gesamten Galaxie verteilt und schließlich Bestandteil neuer Sternsysteme wie unseres eigenen. Das Silicium in Ihrem Smartphone wurde buchstäblich vor Milliarden Jahren im Herzen eines sterbenden Sterns geschmiedet.
Silicium spielte durch folgende Prozesse eine entscheidende Rolle bei der Planetenbildung:
Vor 4.6 Milliarden Jahren: Die Kondensation des Sonnennebels bildete siliciumreiche Staubkörner
Vor 4.5 Milliarden Jahren: Akkretion von Silikatplanetesimalen
Vor 4.4 Milliarden Jahren: Die Differenzierung von Erdkern und Erdmantel konzentrierte Silicium im Mantel
Vor 4.0 Milliarden Jahren: Kristallisation der ersten kontinentalen Kruste (siliciumreicher Granit)
Vor 3.8 Milliarden Jahren: Bildung stabiler Kratone mit einem Silicium-Aluminium-Gerüst
Silicium kommt im Wasser natürlich als gelöste Kieselsäure (H₄SiO₄) vor, typischerweise in Konzentrationen von 1-30 mg/L. Meerwasser enthält etwa 3 mg/L gelöstes Silicium, das für das Wachstum von Kieselalgen unerlässlich ist.
Verbindung zum Silicon Valley: Das berühmte Technologiezentrum erhielt seinen Namen von den dort entwickelten Siliciumhalbleitern, obwohl heute ironischerweise der größte Teil des Siliciums aus Asien und nicht aus Kalifornien stammt.
Handhabung
Silicium in seiner reinen Form und viele Verbindungen stellen unter normalen Bedingungen nur minimale Gesundheitsrisiken dar. Bestimmte Siliciumverbindungen und industrielle Prozesse erfordern jedoch besondere Sicherheitsvorkehrungen, insbesondere im Hinblick auf die Exposition gegenüber kristallinem Siliciumdioxid.
OSHA-PEL: 0.05 mg/m³ (lungengängiges kristallines Siliciumdioxid, 8-Stunden-TWA)
Hauptrisiko: Silikose – fortschreitende, unheilbare Lungenerkrankung durch das Einatmen von Staub aus kristallinem Siliciumdioxid
Aktivitäten mit hohem Risiko: Sandstrahlen, Bergbau, Steinbrucharbeiten, Betonschneiden, Töpferarbeiten
Symptome: Kurzatmigkeit, anhaltender Husten, Müdigkeit, Brustschmerzen, Atemversagen (in fortgeschrittenen Fällen)
Verlauf: Einfache Silikose (15–20 Jahre) → Progressive massive Fibrose → Tod
IARC-Klassifizierung: Karzinogen der Gruppe 1 (kristallines Siliciumdioxid aus beruflicher Exposition)
Krebsarten: Lungenkrebs, möglicherweise Nieren- und Autoimmunerkrankungen
Risikofaktoren: Dauer und Intensität der Exposition, Partikelgröße, Oberflächenreaktivität
Prävention: Technische Schutzmaßnahmen, Atemschutz, medizinische Überwachung
Augenkontakt: Siliciumstaub kann mechanische Reizungen und Hornhautabschürfungen verursachen
Hautkontakt: Im Allgemeinen nicht reizend, abrasive Stäube können jedoch Schnitte oder mechanische Reizungen verursachen
Verschlucken: Große Mengen können Magen-Darm-Reizungen verursachen, jedoch keine systemische Toxizität
Handhabung von Siliciumwafern: Scharfe Kanten können Schnittverletzungen verursachen; verwenden Sie geeignete Handhabungswerkzeuge und schnittfeste Handschuhe
Chemische Exposition: Die Verarbeitung von Silicium umfasst Flusssäure und erfordert spezielle Sicherheitsprotokolle
Hochtemperaturprozesse: Das Schmelzen von Silicium (1414°C) erfordert Wärmeschutz und Notfallverfahren
Maßnahme: Sofort 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen. Kontaktlinsen entfernen, sofern dies problemlos möglich ist. Augen nicht reiben.
Ärztliche Behandlung: Sofort ärztliche Hilfe suchen, wenn die Reizung anhält oder Partikel im Auge eingebettet sind.
Sofortmaßnahme: Die betroffene Person sofort an die frische Luft bringen. Aus dem staubbelasteten Bereich entfernen.
Medizinische Reaktion: Bei Atembeschwerden Sauerstoff verabreichen und die Person in eine medizinische Einrichtung bringen.
Dokumentation: Einzelheiten der Exposition für die medizinische Untersuchung und die Arbeitsunfallversicherung dokumentieren.
Geringfügige Exposition: Mit Wasser und Seife waschen. Kontaminierte Kleidung ausziehen.
Schnittverletzungen: Blutung stillen, Wunde reinigen und einen sterilen Verband anlegen. Scharfe Siliciumbruchstücke müssen möglicherweise ärztlich entfernt werden.
Maßnahme: Mund mit Wasser ausspülen. Kein Erbrechen herbeiführen, sofern dies nicht von medizinischem Personal angewiesen wird.
Große Mengen: Ärztliche Hilfe suchen, wenn erhebliche Mengen verschluckt wurden oder Symptome auftreten.
• Silicium in Unterhaltungselektronik (Telefone, Computer) birgt bei normaler Verwendung keine Gesundheitsrisiken
• Kochgeschirr aus Silicium und lebensmittelechtes Silikon sind für den Lebensmittelkontakt sicher
• Solarmodule enthalten verkapseltes Silicium, von dem keine Expositionsrisiken ausgehen
• Glasprodukte (Siliciumdioxid) sind für den alltäglichen Gebrauch sicher
Schnelle Antworten
Silicium (symbol Si) is element 14 on the periodic table, a halbmetall in period 3, group 14. The element that turned sand into civilisation's substrate: every processor you have ever used is a slab of ultrapure silicon. At room temperature it is a solid.
[Ne] 3s² 3p², giving 3 occupied shells holding 2, 8, 4 electrons respectively. Its outer shell holds 4 electrons, which is what sets its bonding behaviour.Silicium melts at 1687 K (1413.9 °C) and boils at 3538 K (3264.9 °C).
The standard atomic weight of Silicium is 28.085 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Silicium has a density of 2.33 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of silicium is about 2.3× heavier.
Silicium has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Silicium was discovered in 1824 by Jons Jacob Berzelius. It is named after latin silex, "flint".
Silicium makes up about 28.2% of the Earth's crust — one of the most abundant elements there is.