Obwohl Silizium in der Natur allgegenwärtig als Siliziumdioxid (Sand, Quarz) vorkommt, wurde es erst spät isoliert. Im Jahr 1787 vermutete Antoine Lavoisier (1743-1794), dass Siliziumdioxid das Oxid eines unbekannten Elements sei. Im Jahr 1808 versuchte Humphry Davy (1778-1829) erfolglos, dieses Element durch Elektrolyse zu isolieren. Erst im Jahr 1823 gelang es dem schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848), amorphes Silizium durch Reduktion von Siliziumtetrafluorid (SiF₄) mit Kalium zu gewinnen. Er nannte dieses Element Silizium (vom lateinischen silex = Kieselstein). Im Jahr 1854 produzierte Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) kristallines Silizium und ebnete damit den Weg für die Erforschung seiner halbleitenden Eigenschaften, die das 20. Jahrhundert revolutionieren sollten.
Silizium (Symbol Si, Ordnungszahl 14) ist ein Halbmetall, das zur Gruppe 14 des Periodensystems gehört, in derselben Spalte wie Kohlenstoff. Sein Atom besitzt 14 Protonen, 14 Elektronen und in der Regel 14 Neutronen in seinem häufigsten Isotop (\(\,^{28}\mathrm{Si}\)). Drei stabile Isotope existieren: Silizium-28 (\(\,^{28}\mathrm{Si}\)), Silizium-29 (\(\,^{29}\mathrm{Si}\)) und Silizium-30 (\(\,^{30}\mathrm{Si}\)).
Bei Raumtemperatur ist reines kristallines Silizium ein hartes, sprödes Feststoff mit einer metallisch grau-blauen Farbe (Dichte ≈ 2,33 g/cm³). Der Schmelzpunkt von Silizium: 1.687 K (1.414 °C). Der Siedepunkt: 3.538 K (3.265 °C). Silizium hat eine diamantartige Kristallstruktur und weist essentielle halbleitende Eigenschaften für die moderne Elektronik auf. Seine elektrische Leitfähigkeit nimmt mit der Temperatur zu, im Gegensatz zu Metallen.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Silizium-28 — \(\,^{28}\mathrm{Si}\,\) | 14 | 14 | 27.976927 u | ≈ 92,23 % | Stabil | Häufigstes Isotop; Grundlage der Halbleiterindustrie. |
| Silizium-29 — \(\,^{29}\mathrm{Si}\) | 14 | 15 | 28.976495 u | ≈ 4,67 % | Stabil | Wird in der NMR und Quantencomputerforschung verwendet. |
| Silizium-30 — \(\,^{30}\mathrm{Si}\) | 14 | 16 | 29.973770 u | ≈ 3,10 % | Stabil | Angereichertes Isotop für die Neudefinition des Kilogramms (Avogadro-Kugel). |
| Silizium-32 — \(\,^{32}\mathrm{Si}\) | 14 | 18 | 31.974148 u | Kosmogene Spur | 153 Jahre | Radioaktiver β\(^-\)-Zerfall zu Phosphor-32. Wird zur Datierung von Grundwasser und Polareis verwendet. |
| Andere Isotope — \(\,^{22}\mathrm{Si}\) bis \(\,^{44}\mathrm{Si}\) | 14 | 8 — 30 | — (variabel) | Nicht natürlich | Millisekunden bis Stunden | Instabile, künstlich hergestellte Isotope; Kernphysikforschung. |
Reines Silizium ist bei Raumtemperatur relativ wenig reaktiv, aufgrund der Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), die sich auf seiner Oberfläche bildet. Bei hohen Temperaturen reagiert es mit Sauerstoff, Halogenen und einigen Metallen. Silizium reagiert nicht mit den meisten Säuren (außer Flusssäure, die Siliziumdioxid löst), löst sich aber in starken Basen unter Bildung von Silikaten. Es bildet hauptsächlich Verbindungen im Oxidationszustand +IV, darunter Siliziumdioxid (SiO₂), Silikate, Silane (Silizium-Analoga zu Kohlenwasserstoffen) und Silikone (organische Polymere des Siliziums). Silizium kann Si-Si-, Si-O-, Si-C- und Si-H-Bindungen bilden, was zu einer sehr reichen Organosiliziumchemie führt.
Silizium ist das grundlegende Element der elektronischen und digitalen Revolution des 20. und 21. Jahrhunderts. Seine Fähigkeit, präzise dotiert zu werden (kontrollierte Zugabe von Verunreinigungen), ermöglicht die Modulation seiner elektrischen Leitfähigkeit und damit die Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltkreisen. Der Name "Silicon Valley" leitet sich von diesem Material ab, das die schrittweise Miniaturisierung elektronischer Komponenten ermöglichte, gemäß dem Mooreschen Gesetz. Ein moderner Mikroprozessor kann mehrere Milliarden Transistoren enthalten, die in ultra-reines Silizium (99,9999999% Reinheit) geätzt sind. Silizium hat Computer, Smartphones, das Internet und alle Informationstechnologien ermöglicht, die unsere moderne Welt prägen.
Silizium ist das zweit häufigste Element in der Erdkruste (etwa 27,7 Masse-%), gleich nach Sauerstoff. Es kommt in der Natur nie in reiner Form vor, sondern immer gebunden, hauptsächlich als Siliziumdioxid (SiO₂) in Sand, Quarz und silikathaltigen Gesteinen. Silikate bilden den Großteil der Minerale, aus denen die Gesteine der Erde bestehen (Feldspäte, Glimmer, Tone). Metallurgisches Silizium wird durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff in Lichtbogenöfen hergestellt. Für die Elektronik wird ultra-reines Silizium benötigt, das durch komplexe Reinigungs- und Kristallzüchtungsverfahren (Czochralski-Methode) gewonnen wird.
Silizium wird in massereichen Sternen während der Fusion von Sauerstoff und Kohlenstoff in den tiefen Schichten synthetisiert. Bei Supernova-Explosionen vom Typ II wird Silizium in das interstellare Medium ausgestoßen und trägt zur chemischen Anreicherung nachfolgender Generationen von Sternen und Planeten bei. Die Spektroskopie zeigt das Vorhandensein von Silizium in vielen Sternen und Nebeln. Im Sonnensystem ist Silizium ein Hauptbestandteil der erdähnlichen Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) und der Gesteinsasteroiden. Auf der Erde ist Silizium das dominierende Element des Erdmantels in Form von Silikaten und spielt eine entscheidende Rolle in der Plattentektonik und Geodynamik.
Hinweis:
Das für die Elektronik benötigte ultra-reine Silizium ist eines der reinsten Materialien, die jemals von der Menschheit hergestellt wurden. Zur Herstellung von elektronischen Chips muss Silizium eine Reinheit von 99,9999999% (neun Neunen nach dem Komma) erreichen, was bedeutet, dass es nur ein Fremdatom pro eine Milliarde Siliziumatome enthält. Dieses außergewöhnliche Reinheitsniveau wird durch aufeinanderfolgende chemische Reinigungsprozesse erreicht, insbesondere durch die Destillation von Trichlorsilan und das Ziehen von Einkristallen nach dem Czochralski-Verfahren, bei dem ein perfekter Kristall langsam aus einem Bad aus geschmolzenem Silizium gezogen wird.
