Si · Element 14 · Halbmetall
Das Element, das Sand in das Fundament der Zivilisation verwandelte: Jeder Prozessor, den Sie je benutzt haben, besteht aus einem Stück hochreinem Silicium.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht 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. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 111 pm — das entspricht 0,111 nm; etwa 4,5 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Silicium ist über einen Bereich von 1851 K flüssig, von 1687 K bis 3538 K.
Die Geschichte
Silicium ist das Element, das das Informationszeitalter möglich gemacht 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 eigentliche 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 antreiben. Das Silicon Valley erhielt seinen Namen von diesem Element, das Milliarden Mal pro Sekunde zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Isolierung wechseln kann. Von antiken Glasfenstern bis zu modernen Solarmodulen, von Computerchips bis zu Silikonimplantaten prägt Silicium unsere Welt auf unzählige Arten. Jedes Sandkorn an jedem Strand besteht größtenteils aus Siliciumdioxid – aus demselben Element, das Ihr Smartphone antreibt, 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 über 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 Handwerker fertigten kunstvolle Glasgefäße aus Siliciumdioxid
500 v. Chr.: Römischer Beton enthielt vulkanische Asche (Puzzolan), die reich an amorpher Kieselsäure war
Die Römer stellten unwissentlich mithilfe siliciumreicher Vulkanasche vom Vesuv einen der dauerhaftesten Betone der Geschichte her. Das Pantheon in Rom, das 126 n. Chr. erbaut wurde, steht bis heute teilweise dank seiner siliciumverstärkten Betonkuppel.
Die wissenschaftliche Untersuchung des Siliciums begann während der Aufklärung, als Chemiker damit 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 wegweisenden Werk „Elementare Abhandlung über die Chemie“ von 1789 führte Lavoisier Kieselsäure unter den Verbindungen auf, von denen er glaubte, dass sie 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 über ein Jahrzehnt andauerten.
Der britische Chemiker Sir Humphry Davy (1778-1829) versuchte 1808 erstmals, Silicium zu isolieren, und verwendete dabei seine neu erfundene elektrische Batterie. Davy versuchte, Kieselsäure zu elektrolysieren, stellte jedoch nur ein unreines, dunkles Pulver her. Obwohl der Versuch erfolglos war, prägte er den Namen „silicon“ nach dem lateinischen „silex“ (Feuerstein) mit 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 stellten ein braunes Pulver her, das sie für Silicium hielten. Spätere Analysen zeigten jedoch, dass es erhebliche Mengen an Siliciumverbindungen und nicht das reine Element enthielt.
Der schwedische Chemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) isolierte am 15. Mai 1824 erstmals nachweislich reines Silicium. Sein systematischer Ansatz und seine sorgfältige Dokumentation machten ihn zum tatsächlichen 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 reagiertes 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 metallischen Teilchen 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. Mit dieser Methode konnte Silicium in größerem Maßstab hergestellt werden, wodurch die ersten kommerziellen Anwendungen möglich wurden.
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 großen Siliciumproduzenten und lieferte Schleifmittel sowie später Halbleitermaterialien.
Die Entwicklung des Siliciums von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einem zivilisationsprägenden Werkstoff 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 aus Germanium; Robert Noyce verbesserte sie mit Silicium
1961: Die ersten kommerziellen integrierten Siliciumschaltungen wurden hergestellt
1971: Intel stellte den 4004-Mikroprozessor 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 zu 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 Entwicklung auf jenen schicksalhaften Tag im Jahr 1824 zurück, an dem Berzelius erstmals reines Silicium in seinen Händen hielt.
Anwendungen
Die einzigartigen Halbleitereigenschaften von Silicium haben die menschliche Zivilisation revolutioniert und das digitale Zeitalter sowie moderne Technologien ermöglicht. Von Smartphones bis zu Raumfahrzeugen treiben siliziumbasierte Geräte 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 integrieren über 100 Milliarden Transistoren auf einem einzigen Chip.
Dotierungsverfahren: Reines Silicium wird mit Spurenmengen von Phosphor (n-Typ) oder Bor (p-Typ) „dotiert“, um halbleitende Eigenschaften zu erzeugen. Dabei werden Ionen mit Energien von 1–200 keV implantiert, wodurch die elektrische Leitfähigkeit präzise gesteuert wird.
Photolithografie: Siliciumwafer werden mithilfe von extrem ultraviolettem (EUV-)Licht mit einer Wellenlänge von 13.5 nm photolithografisch 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 in kommerziellen Anwendungen einen Wirkungsgrad von 22–26 %.
Siliciumverbindungen bilden durch Glas, Beton und Keramiken das Rückgrat des modernen Bauwesens. Silikate machen 90 % der Erdkruste aus und sind unverzichtbare Baustoffe.
Moderne Fahrzeuge enthalten über 1.000 siliziumbasierte Halbleiter, die Motoren, Sicherheitssysteme und Infotainment steuern. Elektrofahrzeuge verwenden Leistungselektronik aus Siliciumcarbid (SiC), um den Wirkungsgrad zu verbessern.
SiC-MOSFETs: Das Tesla Model 3 verwendet Siliciumcarbid-Wechselrichter, die mit 650 V betrieben werden, den Wirkungsgrad 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 harsche Umgebung des Weltraums.
Die Biokompatibilität von Silicium ermöglicht medizinische Implantate, Diagnosegeräte und Systeme zur Medikamentenabgabe. Die inerten Eigenschaften von Silicium machen es ideal für langfristige Implantationen.
Die Siliciumtechnologie umgibt uns in unzähligen Formen, oft unsichtbar, aber stets unverzichtbar. Vom Weckruf am Morgen bis zur Unterhaltung am Abend macht Silicium das moderne Leben möglich.
Transistoren in einem einzelnen iPhone-13-Prozessor
Vernetzte Geräte weltweit bis 2025
Erforderlicher Reinheitsgrad für Halbleitersilicium
Weltweiter Marktwert für Halbleiter (2022)
Ein durchschnittliches Smartphone besitzt mehr Rechenleistung als die Computer, die Apollo 11 zum Mond geleitet haben. Dasselbe Telefon enthält über 1 Milliarde Transistoren – wären alle Transistoren Menschen, könnten sie China mit noch reichlich Platz bevölkern.
Woher es stammt
282000 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 99 % der Elemente
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 niemals in reiner metallischer Form vor. Stattdessen bildet es unzählige Mineralien und Verbindungen, die buchstäblich die Struktur unseres Planeten aufbauen.
Das häufigste Siliciumm mineral, das 12 % der Erdkruste ausmacht. Zu finden in:
Bemerkenswerte Fundorte: Brasilianische Quarzminen, Kristallvorkommen in Arkansas, Herkimer-„Diamanten“ (NY)
Die häufigste Mineralgruppe in der Erdkruste (50-60 %), darunter:
Bildung: Hochtemperaturkristallisation in magmatischen Gesteinen
Verwitterungsprodukte feldspatreicher Gesteine:
Wirtschaftliche Bedeutung: Töpferei, Papierbeschichtung, Bohrspülung
Dunkle Silikatmineralien 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 billion K): ¹⁶O + ¹⁶O → ²⁸Si + ⁴He
Siliciumbrennen (3+ billion K): ²⁸Si + ⁴He → ³²S + γ
Während einer Supernovaexplosion werden diese siliciumreichen Sternkerne in der gesamten Galaxie verteilt und schließlich Teil neuer Sternsysteme wie unseres. Das Silicium in Ihrem Smartphone wurde buchstäblich vor Milliarden von Jahren im Herzen eines sterbenden Sterns geschmiedet.
Silicium spielte durch folgende Prozesse eine entscheidende Rolle bei der Planetenbildung:
Vor 4.6 billion Jahren: Die Kondensation des Sonnennebels bildete siliciumreiche Staubkörner
Vor 4.5 billion Jahren: Akkretion silikatischer Planetesimale
Vor 4.4 billion Jahren: Die Differenzierung von Erdkern und -mantel konzentrierte Silicium im Mantel
Vor 4.0 billion Jahren: Kristallisation der ersten kontinentalen Erdkruste (siliciumreicher Granit)
Vor 3.8 billion Jahren: Bildung stabiler Kratone mit silicium-aluminiumhaltigem Gerüst
Silicium kommt in Wasser natürlicherweise 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 essenziell 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 reiner Form und viele seiner Verbindungen stellen unter normalen Bedingungen nur minimale Gesundheitsrisiken dar. Bestimmte Siliciumverbindungen und industrielle Verfahren erfordern jedoch besondere Sicherheitsmaßnahmen, 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) → Fortschreitende massive Fibrose → Tod
IARC-Klassifikation: Karzinogen der Gruppe 1 (kristallines Siliciumdioxid aus beruflicher Exposition)
Krebsarten: Lungenkrebs, möglicherweise Nieren- und Autoimmunerkrankungen
Risikofaktoren: Dauer und Intensität der Exposition, Partikelgröße, Oberflächenreaktivität
Vorbeugung: 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
Hochtemperaturverfahren: Das Schmelzen von Silicium (1414°C) erfordert Wärmeschutz und Notfallmaßnahmen
Maßnahme: Sofort 15 Minuten lang mit sauberem Wasser spülen. Kontaktlinsen entfernen, wenn dies problemlos möglich ist. Augen nicht reiben.
Medizinische Behandlung: Sofort ärztliche Hilfe suchen, wenn die Reizung anhält oder Partikel im Auge eingebettet sind.
Sofortmaßnahme: 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 Arbeitnehmerentschädigung dokumentieren.
Geringfügige Exposition: Mit Wasser und Seife waschen. Kontaminierte Kleidung ausziehen.
Schnittverletzungen: Blutung stillen, Wunde reinigen und steril verbinden. Scharfe Siliciumbruchstücke müssen möglicherweise ärztlich entfernt werden.
Maßnahme: Mund mit Wasser ausspülen. Kein Erbrechen herbeiführen, außer auf Anweisung medizinischen Personals.
Große Mengen: Ärztliche Hilfe suchen, wenn erhebliche Mengen verschluckt wurden oder Symptome auftreten.
• Silicium in Unterhaltungselektronik (Telefone, Computer) birgt bei normaler Verwendung keine Gesundheitsrisiken
• Siliciumkochgeschirr und lebensmittelechtes Silikon sind für den Kontakt mit Lebensmitteln sicher
• Solarmodule enthalten verkapseltes Silicium, das kein Expositionsrisiko darstellt
• Glasprodukte (Siliciumdioxid) sind für den täglichen Gebrauch sicher
Schnelle Antworten
Silicium (Symbol Si) ist Element 14 im Periodensystem, ein Halbmetall in der 3, Gruppe 14. Das Element, das Sand in das Fundament der Zivilisation verwandelte: Jeder Prozessor, den Sie je benutzt haben, besteht aus einem Stück hochreinem Silicium. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ne] 3s² 3p²; sie ergibt 3 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 4. Seine Außenschale enthält 4 Elektronen, wodurch sein Bindungsverhalten bestimmt wird.Silicium schmilzt bei 1687 K (1413.9 °C) und siedet bei 3538 K (3264.9 °C).
Die Standardatommasse von Silicium beträgt 28.085 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Silicium hat eine Dichte von 2.33 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Silicium ungefähr 2.3× schwerer.
Silicium hat eine Elektronegativität von 1.9 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Silicium wurde 1824 von Jons Jacob Berzelius entdeckt. Es ist nach lateinisch silex, „Feuerstein“ benannt.
Silicium macht Über 28.2 % der Erdkruste aus — es gehört zu den häufigsten Elementen überhaupt.