Welche Eigenschaften weist Silizium auf? Silizium: Anwendung, chemische und physikalische Eigenschaften

Silizium (Si) ist ein Nichtmetall, das hinsichtlich der Reserven und der Präsenz auf der Erde (25,8 % in der Erdkruste) nach Sauerstoff an zweiter Stelle steht. IN reine Form Es kommt praktisch nie vor und kommt auf dem Planeten hauptsächlich in Form von Verbindungen vor.

Eigenschaften von Silizium

Physikalische Eigenschaften

Silizium ist ein sprödes, hellgraues Material mit metallischem Farbton oder ein braunes, pulverförmiges Material. Die Struktur eines Siliziumkristalls ähnelt der von Diamant, aufgrund der unterschiedlichen Bindungslängen zwischen den Atomen ist die Härte von Diamant jedoch viel höher.

Silizium ist ein Nichtmetall, das für verfügbar ist elektromagnetische Strahlung. Aufgrund einiger Eigenschaften liegt es in der Mitte zwischen Nichtmetallen und Metallen:

Bei einer Temperaturerhöhung auf 800 °C wird es flexibel und plastisch;

Beim Erhitzen auf 1417 °C schmilzt es;

Beginnt bei Temperaturen über 2600 °C zu sieden;

Ändert die Dichte bei hohem Druck;

Hat die Eigenschaft, entgegen der Richtung der Außenrichtung magnetisiert zu werden Magnetfeld(Diamagnet).

Silizium ist ein Halbleiter und die in seinen Legierungen enthaltenen Verunreinigungen bestimmen die elektrischen Eigenschaften zukünftiger Verbindungen.

Chemische Eigenschaften

Beim Erhitzen reagiert Si mit Sauerstoff, Brom, Jod, Stickstoff, Chlor und verschiedenen Metallen. In Kombination mit Kohlenstoff entstehen harte Legierungen mit thermischer und chemischer Beständigkeit.

Silizium reagiert in keiner Weise mit Wasserstoff, daher werden alle möglichen Mischungen damit auf unterschiedliche Weise erhalten.

Bei normale Bedingungen Es reagiert schwach mit allen Substanzen außer Fluorgas. Dabei entsteht Siliziumtetrafluorid SiF4. Diese Inaktivität erklärt sich dadurch, dass sich durch eine Reaktion mit Sauerstoff, Wasser, dessen Dampf und Luft ein Film aus Siliziumdioxid auf der Oberfläche des Nichtmetalls bildet und dieses umhüllt. Daher ist die chemische Wirkung langsam und unbedeutend.

Um diese Schicht zu entfernen, verwenden Sie eine Mischung aus Fluorwasserstoff und Salpetersäuren oder wässrige Lösungen von Alkalien. Einige spezielle Flüssigkeiten erfordern hierfür die Zugabe von Chromsäureanhydrid und anderen Stoffen.

Silizium in der Natur finden

Silizium ist für die Erde genauso wichtig wie Kohlenstoff für Pflanzen und Tiere. Seine Kruste besteht fast zur Hälfte aus Sauerstoff, und wenn man dazu Silizium hinzufügt, erhält man 80 % der Masse. Diese Verbindung ist für die Bewegung chemischer Elemente sehr wichtig.

75 % der Lithosphäre enthalten verschiedene Salze von Kieselsäuren und Mineralien (Sand, Quarzite, Feuerstein, Glimmer, Feldspäte usw.). Bei der Bildung von Magma und verschiedenen magmatischen Gesteinen reichert sich Si in Graniten und ultramafischen Gesteinen (Plutongestein und Vulkangestein) an.

Im menschlichen Körper gibt es 1 g Silizium. Die meisten kommen in Knochen, Sehnen, Haut und Haaren, Lymphknoten, Aorta und Luftröhre vor. Es ist am Wachstum von Binde- und Knochengewebe beteiligt und erhält außerdem die Elastizität der Blutgefäße aufrecht.

Die tägliche Aufnahmemenge für einen Erwachsenen beträgt 5 - 20 mg. Überschuss verursacht Silikose.

Anwendungen von Silizium in der Industrie

Dieses Nichtmetall ist dem Menschen seit der Steinzeit bekannt und wird auch heute noch häufig verwendet.

Anwendung:

Es ist ein gutes Reduktionsmittel und wird daher in der Metallurgie zur Herstellung von Metallen verwendet.

Silizium kann unter bestimmten Bedingungen Strom leiten und wird daher in der Elektronik eingesetzt.

Siliziumoxid wird bei der Herstellung von Gläsern und Silikatmaterialien verwendet.

Für die Herstellung von Halbleiterbauelementen werden spezielle Legierungen verwendet.

Silizium (Si) – steht in Periode 3, Gruppe IV der Hauptuntergruppe des Periodensystems. Physikalische Eigenschaften: Silizium gibt es in zwei Modifikationen: amorph und kristallin. Amorphes Silizium ist ein braunes Pulver mit einer Dichte von 2,33 g/cm3, löslich in Metallschmelzen. Kristallines Silizium besteht aus dunkelgrauen Kristallen mit stahlartigem Glanz, hart und spröde und einer Dichte von 2,4 g/cm3. Silizium besteht aus drei Isotopen: Si (28), Si (29), Si (30).

Chemische Eigenschaften: elektronische Konfiguration: 1s22s22p63 s23p2 . Silizium ist ein Nichtmetall. Auf der äußeren Energieebene verfügt Silizium über 4 Elektronen, die seine Oxidationsstufen bestimmen: +4, -4, -2. Wertigkeit – 2,4. Amorphes Silizium hat eine höhere Reaktivität als kristallines Silizium. Unter normalen Bedingungen interagiert es mit Fluor: Si + 2F2 = SiF4. Bei 1000 °C reagiert Si mit Nichtmetallen: CL2, N2, C, S.

Von den Säuren reagiert Silizium nur mit einer Mischung aus Salpeter- und Flusssäure:

Gegenüber Metallen verhält es sich anders: In geschmolzenem Zn, Al, Sn, Pb löst es sich gut, reagiert aber nicht mit ihnen; Silizium interagiert mit anderen Metallschmelzen – mit Mg, Cu, Fe – und bildet Silizide: Si + 2Mg = Mg2Si. Silizium verbrennt in Sauerstoff: Si + O2 = SiO2 (Sand).

Siliziumdioxid oder Kieselsäure– stabile Verbindung Si, weit verbreitet in der Natur. Es reagiert durch Verschmelzen mit Alkalien und basischen Oxiden und bildet Kieselsäuresalze – Silikate. Quittung: In der Industrie wird Silizium in seiner reinen Form durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Koks in Elektroöfen gewonnen: SiO2 + 2C = Si + 2CO?.

Im Labor wird Silizium durch Kalzinierung mit Magnesium oder Aluminium gewonnen weißer Sand:

SiO2 + 2Mg = 2MgO + Si.

3SiO2 + 4Al = Al2O3 + 3Si.

Silizium bildet Säuren: H2 SiO3 – Metakieselsäure; H2 Si2O5 ist Dimethakieselsäure.

In der Natur zu finden: Quarzmineral – SiO2. Quarzkristalle haben die Form eines sechseckigen Prismas, sind farblos und transparent und werden Bergkristall genannt. Amethyst ist ein violetter Bergkristall mit Verunreinigungen; Rauchtopas hat eine bräunliche Farbe; Achat und Jaspis sind kristalline Quarzarten. Amorphe Kieselsäure ist weniger verbreitet und liegt in Form des Opalminerals SiO2 nH2O vor. Kieselgur, Tripoli oder Kieselgur (Kieselgur) sind erdige Formen von amorphem Silizium.

42. Das Konzept kolloidaler Lösungen

Kolloidale Lösungen– hochdisperse Zweiphasensysteme, bestehend aus einem Dispersionsmedium und einer dispersen Phase. Die Partikelgrößen liegen zwischen echten Lösungen, Suspensionen und Emulsionen. U kolloidale Partikel molekulare oder ionische Zusammensetzung.

Es gibt drei Arten der inneren Struktur von Primärpartikeln.

1. Suspensoide (oder irreversible Kolloide)– heterogene Systeme, deren Eigenschaften durch die entwickelte Grenzflächenoberfläche bestimmt werden können. Im Vergleich zu Suspensionen sind sie höher dispergiert. Ohne einen Dispersionsstabilisator können sie nicht lange existieren. Sie heißen irreversible Kolloide Dies liegt daran, dass ihre Sedimente nach der Verdunstung keine Sole mehr bilden. Ihre Konzentration ist gering – 0,1 %. Sie unterscheiden sich geringfügig von der Viskosität des dispergierten Mediums.

Suspensoide sind erhältlich:

1) Dispergiermethoden (Zerkleinerung großer Körper);

2) Kondensationsverfahren (Herstellung unlöslicher Verbindungen durch Austauschreaktionen, Hydrolyse usw.).

Die spontane Abnahme der Dispersität in Suspensionen hängt von der freien Oberflächenenergie ab. Um eine langlebige Suspension zu erhalten, sind Bedingungen zu deren Stabilisierung erforderlich.

Stabile disperse Systeme:

1) Dispersionsmedium;

2) dispergierte Phase;

3) Stabilisator des dispergierten Systems.

Der Stabilisator kann ionisch, molekular, meist jedoch hochmolekular sein.

Schutzkolloide– hochmolekulare Verbindungen, die zur Stabilisierung zugesetzt werden (Proteine, Peptide, Polyvinylalkohol usw.).

2. Assoziative (oder mizellare Kolloide) – Semikolloide, die bei ausreichender Konzentration von Molekülen entstehen, die aus Kohlenwasserstoffresten (diphilen Molekülen) niedermolekularer Stoffe bestehen und sich zu Molekülaggregaten (Mizellen) verbinden. Mizellen entstehen in wässrigen Lösungen Reinigungsmittel(Seifen), organische Farbstoffe.

3. Molekulare Kolloide (reversible oder lyophile Kolloide) – natürliche und synthetische hochmolekulare Substanzen mit hohem Molekulargewicht. Ihre Moleküle haben die Größe kolloidaler Teilchen (Makromoleküle).

Verdünnte Lösungen von Kolloiden hochmolekularer Verbindungen sind homogene Lösungen. Bei starker Verdünnung gehorchen diese Lösungen den Gesetzen verdünnter Lösungen.

Unpolare Makromoleküle lösen sich in Kohlenwasserstoffen, polare – in polaren Lösungsmitteln.

Reversible Kolloide– Stoffe, deren Trockenrückstand bei Zugabe einer neuen Portion Lösungsmittel wieder in Lösung geht.

Silizium in freier Form wurde 1811 von J. Gay-Lussac und L. Thénard isoliert, indem Siliziumfluoriddampf über Kaliummetall geleitet wurde, es wurde von ihnen jedoch nicht als Element beschrieben. Der schwedische Chemiker J. Berzelius beschrieb 1823 das Silizium, das er durch Behandlung des Kaliumsalzes K 2 SiF 6 mit Kaliummetall bei hoher Temperatur erhielt. Das neue Element erhielt den Namen „Silizium“ (vom lateinischen Silex – Feuerstein). Der russische Name „Silizium“ wurde 1834 vom russischen Chemiker German Ivanovich Hess eingeführt. Aus dem Altgriechischen übersetzt. krhmnoz- „Klippe, Berg.“

In der Natur sein und empfangen:

In der Natur kommt Silizium in Form von Dioxid und Silikaten unterschiedlicher Zusammensetzung vor. Natürliche Kieselsäure kommt hauptsächlich in Form von Quarz vor, obwohl es auch andere Mineralien wie Cristobalit, Tridymit, Kitit und Cousit gibt. Amorphe Kieselsäure kommt in Kieselalgenablagerungen auf dem Grund von Meeren und Ozeanen vor – diese Ablagerungen wurden aus SiO 2 gebildet, das Teil von Kieselalgen und einigen Ciliaten war.
Freies Silizium kann durch Kalzinieren von feinem weißen Sand mit Magnesium gewonnen werden chemische Zusammensetzung ist nahezu reines Siliziumoxid, SiO 2 +2Mg=2MgO+Si. In der Industrie wird technisches Silizium durch Reduktion der SiO 2 -Schmelze mit Koks bei einer Temperatur von etwa 1800 °C in Lichtbogenöfen gewonnen. Die Reinheit des auf diese Weise gewonnenen Siliziums kann 99,9 % erreichen (die Hauptverunreinigungen sind Kohlenstoff und Metalle).

Physikalische Eigenschaften:

Amorphes Silizium liegt in Form eines braunen Pulvers vor, dessen Dichte 2,0 g/cm 3 beträgt. Kristallines Silizium – dunkelgrau, glänzend kristalline Substanz, spröde und sehr hart, kristallisiert im Diamantgitter. Dies ist ein typischer Halbleiter (er leitet Elektrizität besser als ein Isolator wie Gummi und schlechter als ein Leiter wie Kupfer). Silizium ist zerbrechlich, erst wenn es über 800 °C erhitzt wird, wird es zu einem plastischen Stoff. Interessanterweise ist Silizium transparent Infrarotstrahlung, ab einer Wellenlänge von 1,1 Mikrometer.

Chemische Eigenschaften:

Chemisch gesehen ist Silizium inaktiv. Bei Raumtemperatur reagiert nur mit Fluorgas, was zur Bildung des flüchtigen Siliziumtetrafluorids SiF 4 führt. Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 400–500 °C reagiert Silizium mit Sauerstoff zu Dioxid und mit Chlor, Brom und Jod zu den entsprechenden leichtflüchtigen Tetrahalogeniden SiHal 4. Bei einer Temperatur von etwa 1000 °C reagiert Silizium mit Stickstoff zum Nitrid Si 3 N 4 und mit Bor zu den thermisch und chemisch stabilen Boriden SiB 3, SiB 6 und SiB 12. Silizium reagiert nicht direkt mit Wasserstoff.
Zum Ätzen von Silizium wird am häufigsten eine Mischung aus Flusssäure und Salpetersäure verwendet.
Einstellung zu Alkalien...
Silizium zeichnet sich durch Verbindungen mit einer Oxidationsstufe von +4 oder -4 aus.

Die wichtigsten Verbindungen:

Siliziumdioxid, SiO 2- (Siliciumanhydrid) ...
...
Kieselsäuren- schwach, unlöslich, entsteht, wenn einer Silikatlösung Säure in Form eines Gels (gelatineartige Substanz) zugesetzt wird. H 4 SiO 4 (Orthosilizium) und H 2 SiO 3 (Metasilizium oder Silizium) liegen nur in Lösung vor und werden beim Erhitzen und Trocknen irreversibel in SiO 2 umgewandelt. Das resultierende feste poröse Produkt ist Kieselgel, hat eine entwickelte Oberfläche und wird als Gasadsorptionsmittel, Trockenmittel, Katalysator und Katalysatorträger verwendet.
Silikate- Salze der Kieselsäure sind größtenteils (mit Ausnahme von Natrium- und Kaliumsilikaten) in Wasser unlöslich. Eigenschaften....
Wasserstoffverbindungen- Analoga von Kohlenwasserstoffen, Silane, Verbindungen, in denen Siliziumatome durch eine Einfachbindung verbunden sind, stark, wenn die Siliziumatome durch eine Doppelbindung verbunden sind. Diese Verbindungen bilden wie Kohlenwasserstoffe Ketten und Ringe. Alle Silane können sich spontan entzünden, mit Luft explosionsfähige Gemische bilden und leicht mit Wasser reagieren.

Anwendung:

Silizium wird am häufigsten bei der Herstellung von Legierungen verwendet, um Aluminium, Kupfer und Magnesium Festigkeit zu verleihen, sowie bei der Herstellung von Ferrosiliciden, die für die Herstellung von Stählen und die Halbleitertechnologie wichtig sind. Siliziumkristalle werden in Solarzellen und Halbleiterbauelementen – Transistoren und Dioden – verwendet. Silizium dient auch als Rohstoff für die Herstellung von Organosiliciumverbindungen, sogenannten Siloxanen, die in Form von Ölen, Schmiermitteln, Kunststoffen und synthetischen Kautschuken gewonnen werden. Anorganische Verbindungen Silizium wird in der Keramik- und Glastechnik, als Isoliermaterial und als Piezokristalle verwendet

Für einige Organismen ist Silizium ein wichtiges biogenes Element. Es ist Teil der Stützstrukturen bei Pflanzen und der Skelettstrukturen bei Tieren. Silizium wird von Meeresorganismen in großen Mengen konzentriert - Kieselalgen, Radiolarien, Schwämme. Große Mengen Silizium sind in Schachtelhalmen und Getreide konzentriert, vor allem in den Unterfamilien Bambus und Reis, einschließlich Reis. Menschliches Muskelgewebe enthält (1-2)·10 -2 % Silizium, Knochengewebe - 17 · 10 -4 %, Blut - 3,9 mg/l. Täglich gelangen bis zu 1 g Silizium über die Nahrung in den menschlichen Körper.

Antonov S.M., Tomilin K.G.
HF Staatliche Universität Tjumen, 571 Gruppe.

• Bezeichnung - Si (Silizium);
• Zeitraum - III;
• Gruppe - 14 (IVa);
• Atommasse - 28,0855;
• Ordnungszahl - 14;
• Atomradius = 132 pm;
• Kovalenter Radius = 111 pm;
• Elektronenverteilung - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 ;
• Schmelztemperatur = 1412°C;
• Siedepunkt = 2355°C;
• Elektronegativität (nach Pauling/nach Alpred und Rochow) = 1,90/1,74;
• Oxidationsstufe: +4, +2, 0, -4;
• Dichte (Anzahl) = 2,33 g/cm3;
• Molvolumen = 12,1 cm 3 /mol.

Siliziumverbindungen:

Silizium wurde erstmals 1811 in reiner Form isoliert (die Franzosen J. L. Gay-Lussac und L. J. Tenard). Reines elementares Silizium wurde 1825 gewonnen (Schwede J. J. Berzelius). Das chemische Element erhielt seinen Namen „Silizium“ (übersetzt aus dem Altgriechischen als Berg) im Jahr 1834 (russischer Chemiker G. I. Hess).

Silizium kommt am häufigsten vor (nach Sauerstoff) chemisches Element auf der Erde (Gehalt in der Erdkruste beträgt 28-29 Gew.-%). In der Natur kommt Silizium am häufigsten in Form von Kieselsäure (Sand, Quarz, Feuerstein, Feldspat) sowie in Silikaten und Alumosilikaten vor. In reiner Form ist Silizium äußerst selten. Viele natürliche Silikate in reiner Form sind Edelsteine: Smaragd, Topas, Aquamarin – alles ist Silizium. Reines kristallines Silizium(IV)oxid kommt in Form von Bergkristall und Quarz vor. Siliziumoxid, das verschiedene Verunreinigungen enthält, bildet wertvolle und Halbedelsteine- Amethyst, Achat, Jaspis.

Reis. Struktur des Siliziumatoms.

Die elektronische Konfiguration von Silizium ist 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 (siehe Elektronische Struktur von Atomen). Draußen Energieniveau Silizium hat 4 Elektronen: 2 gepaarte in der 3s-Unterebene + 2 ungepaarte in p-Orbitalen. Wenn ein Siliziumatom in einen angeregten Zustand übergeht, „verlässt“ ein Elektron aus der s-Unterebene sein Paar und bewegt sich zur p-Unterebene, wo es ein freies Orbital gibt. Somit nimmt die elektronische Konfiguration des Siliziumatoms im angeregten Zustand die folgende Form an: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 3p 3.

Reis. Übergang eines Siliziumatoms in einen angeregten Zustand.

Daher kann Silizium in Verbindungen eine Wertigkeit von 4 (am häufigsten) oder 2 (siehe Wertigkeit) aufweisen. Silizium (wie auch Kohlenstoff) bildet bei der Reaktion mit anderen Elementen chemische Bindungen, in denen es seine Elektronen sowohl abgeben als auch aufnehmen kann. Die Fähigkeit, Elektronen aufzunehmen, ist bei Siliziumatomen jedoch aufgrund des größeren Siliziums weniger ausgeprägt als bei Kohlenstoffatomen Atom.

Oxidationsstufen von Silizium:

• -4 : SiH 4 (Silan), Ca 2 Si, Mg 2 Si (Metallsilikate);
• +4 - am stabilsten: SiO 2 (Siliziumoxid), H 2 SiO 3 (Kieselsäure), Silikate und Siliziumhalogenide;
• 0 : Si (einfache Substanz)

Silizium als einfacher Stoff

Silizium ist eine dunkelgraue kristalline Substanz mit metallischem Glanz. Kristallines Silizium ist ein Halbleiter.

Silizium bildet nur eine allotrope Modifikation, ähnlich wie Diamant, jedoch nicht so stark, da die Si-Si-Bindungen nicht so stark sind wie im Diamant-Kohlenstoffmolekül (siehe Diamant).

Amorphes Silizium- braunes Pulver mit einem Schmelzpunkt von 1420°C.

Kristallines Silizium wird durch Rekristallisation aus amorphem Silizium gewonnen. Im Gegensatz zu amorphem Silizium, das eine ziemlich aktive Chemikalie ist, ist kristallines Silizium im Hinblick auf die Wechselwirkung mit anderen Substanzen inert.

Die Struktur des Kristallgitters von Silizium wiederholt die Struktur von Diamant – jedes Atom ist von vier anderen Atomen umgeben, die sich an den Spitzen eines Tetraeders befinden. Die Atome werden durch kovalente Bindungen zusammengehalten, die nicht so stark sind wie die Kohlenstoffbindungen im Diamant. Aus diesem Grund auch bei Nr. Einige kovalente Bindungen im kristallinen Silizium werden aufgebrochen, was zur Freisetzung einiger Elektronen führt, wodurch Silizium eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bei Erwärmung von Silizium, im Licht oder bei Zugabe bestimmter Verunreinigungen nimmt die Zahl der aufgebrochenen kovalenten Bindungen zu, wodurch die Zahl der freien Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit von Silizium zunimmt.

Chemische Eigenschaften von Silizium

Silizium kann wie Kohlenstoff sowohl ein Reduktionsmittel als auch ein Oxidationsmittel sein, je nachdem, mit welchem ​​Stoff es reagiert.

Bei Nr. Silizium interagiert nur mit Fluor, was durch das ziemlich starke Kristallgitter von Silizium erklärt wird.

Silizium reagiert bei Temperaturen über 400 °C mit Chlor und Brom.

Silizium interagiert nur bei sehr hohen Temperaturen mit Kohlenstoff und Stickstoff.

• Bei Reaktionen mit Nichtmetallen fungiert Silizium als Reduktionsmittel:
  • bei normale Bedingungen Von den Nichtmetallen reagiert Silizium nur mit Fluor und bildet Siliziumhalogenid:
    Si + 2F 2 = SiF 4
  • Bei hohen Temperaturen reagiert Silizium mit Chlor (400 °C), Sauerstoff (600 °C), Stickstoff (1000 °C), Kohlenstoff (2000 °C):
    • Si + 2Cl 2 = SiCl 4 – Siliziumhalogenid;
    • Si + O 2 = SiO 2 – Siliziumoxid;
    • 3Si + 2N 2 = Si 3 N 4 – Siliziumnitrid;
    • Si + C = SiC - Carborundum (Siliziumcarbid)
• Bei Reaktionen mit Metallen kommt es zu Silizium Oxidationsmittel(gebildet Salizide:
  Si + 2Mg = Mg 2 Si
• Bei Reaktionen mit konzentrierten Alkalilösungen reagiert Silizium unter Freisetzung von Wasserstoff und bildet lösliche Salze der Kieselsäure, sogenannte Silikate:
  Si + 2NaOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2H 2
• Silizium reagiert nicht mit Säuren (außer HF).

Herstellung und Verwendung von Silizium

Gewinnung von Silizium:

• im Labor - aus Kieselsäure (Aluminiumtherapie):
  3SiO 2 + 4Al = 3Si + 2Al 2 O 3
• in der Industrie – durch Reduktion von Siliziumoxid mit Koks (technisch reines Silizium) bei hoher Temperatur:
  SiO 2 + 2C = Si + 2CO
• Das reinste Silizium wird durch die Reduktion von Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff (Zink) bei hoher Temperatur gewonnen:
  SiCl 4 +2H 2 = Si+4HCl

Siliziumanwendung:

• Herstellung von Halbleiter-Radioelementen;
• als metallurgische Zusatzstoffe bei der Herstellung hitzebeständiger und säurebeständiger Verbindungen;
• bei der Herstellung von Fotozellen für Solarbatterien;
• als Wechselstromgleichrichter.

Schauen Sie sich halbmetallisches Silizium an!

Siliziummetall ist ein graues und glänzendes halbleitendes Metall, das zur Herstellung von Stahl, Solarzellen und Mikrochips verwendet wird.

Silizium ist das zweithäufigste Element Erdkruste(hinter Sauerstoff) und das achthäufigste Element im Universum. Tatsächlich sind fast 30 Prozent des Gewichts der Erdkruste auf Silizium zurückzuführen.

Element mit Ordnungszahl 14 kommt natürlicherweise in Silikatmineralien vor, darunter Kieselsäure, Feldspat und Glimmer, die die Hauptbestandteile gewöhnlicher Gesteine ​​wie Quarz und Sandstein sind.

Halbmetallisches (oder metalloides) Silizium weist einige Eigenschaften sowohl von Metallen als auch von Nichtmetallen auf.

Wie Wasser, aber im Gegensatz zu den meisten Metallen, ist Silizium im flüssigen Zustand eingeschlossen und dehnt sich beim Erstarren aus. Es hat relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte und bildet bei der Kristallisation Kristalle Kristallstruktur Diamant

Entscheidend für die Rolle von Silizium als Halbleiter und seine Verwendung in der Elektronik ist die atomare Struktur des Elements, die vier Valenzelektronen umfasst, die es Silizium ermöglichen, sich leicht mit anderen Elementen zu verbinden.

Dem schwedischen Chemiker Jones Jacob Berserlius wird 1823 das erste isolierende Silizium zugeschrieben. Berzerlius erreichte dies, indem er Kaliummetall (das erst zehn Jahre zuvor isoliert worden war) zusammen mit Kaliumfluorsilikat in einem Tiegel erhitzte.

Das Ergebnis war amorphes Silizium.

Allerdings dauerte es länger, kristallines Silizium zu erhalten. Eine elektrolytische Probe von kristallinem Silizium würde erst in drei Jahrzehnten hergestellt werden.

Die erste kommerzielle Nutzung von Silizium erfolgte in Form von Ferrosilizium.

Nach der Modernisierung der Stahlindustrie durch Henry Bessemer Mitte des 19. Jahrhunderts bestand großes Interesse an der metallurgischen Metallurgie und der Erforschung der Stahltechnologie.

Zum Zeitpunkt des ersten Industrielle Produktion Ferrosilicium in den 1880er Jahren, war der Wert von Silicium für die Verbesserung der Duktilität von Gusseisen und desoxidierenden Stahls ziemlich gut verstanden.

Die frühe Ferrosiliciumproduktion erfolgte in Hochöfen durch Reduktion von Siliciumerzen Holzkohle, was zu Silberguss, Ferrosilizium mit einem Siliziumgehalt von bis zu 20 Prozent, führte.

Die Entwicklung von Elektrolichtbogenöfen im frühen 20. Jahrhundert ermöglichte nicht nur eine Steigerung der Stahlproduktion, sondern auch eine Steigerung der Ferrosiliciumproduktion.

1903 nahm eine auf die Herstellung von Ferrolegierungen spezialisierte Gruppe (Compagnie Generate d'Electrochimie) ihre Geschäftstätigkeit in Deutschland, Frankreich und Österreich auf, und 1907 wurde in den Vereinigten Staaten die erste kommerzielle Siliziumfabrik gegründet.

Die Stahlerzeugung war nicht die einzige Anwendung für Siliziumverbindungen, die zuvor kommerzialisiert wurde Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhundert.

Um im Jahr 1890 künstliche Diamanten herzustellen, erhitzte Edward Goodrich Acheson Alumosilikat mit Kokspulver und produzierte nebenbei Siliziumkarbid (SiC).

Drei Jahre später patentierte Acheson seine Produktionsmethode und gründete die Firma Carborundum (Carborundum). gebräuchlicher Name für Siliziumkarbid) zum Zweck der Herstellung und des Vertriebs von Schleifprodukten.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden auch die leitfähigen Eigenschaften von Siliziumkarbid erkannt und die Verbindung wurde als Detektor in frühen Seefunkgeräten verwendet. Ein Patent für Siliziumkristalldetektoren wurde 1906 an G. W. Pickard erteilt.

Im Jahr 1907 wurde die erste Leuchtdiode (LED) durch Anlegen einer Spannung an einen Siliziumkarbidkristall hergestellt.

In den 1930er Jahren nahm der Einsatz von Silizium mit der Entwicklung neuer chemischer Produkte, darunter Silane und Silikone, zu.

Auch das Wachstum der Elektronik im letzten Jahrhundert ist untrennbar mit Silizium und seinen einzigartigen Eigenschaften verbunden.

Während die Entwicklung der ersten Transistoren – den Vorläufern moderner Mikrochips – in den 1940er Jahren auf Germanium beruhte, dauerte es nicht lange, bis Silizium seinen metallischen Cousin als haltbareres Halbleitersubstratmaterial verdrängte.

Bell Labs und Texas Instruments begannen 1954 mit der kommerziellen Produktion von Siliziumtransistoren.
Die ersten integrierten Siliziumschaltkreise wurden in den 1960er Jahren hergestellt und in den 1970er Jahren wurden Siliziumprozessoren entwickelt.

Angesichts der Tatsache, dass die Silizium-Halbleitertechnologie die Grundlage der modernen Elektronik und Informatik bildet, ist es nicht verwunderlich, dass wir das Zentrum dieser Branche als „Silicon Valley“ bezeichnen.

(Für einen detaillierten Einblick in die Geschichte und Entwicklung der Silicon Valley-Technologie und der Mikrochips empfehle ich wärmstens die American Experience-Dokumentation „Silicon Valley“).

Kurz nach der Entdeckung der ersten Transistoren führte die Arbeit von Bell Labs mit Silizium 1954 zu einem zweiten großen Durchbruch: der ersten Silizium-Photovoltaikzelle (Solarzelle).

Zuvor galt die Idee, die Energie der Sonne zu nutzen, um Strom auf der Erde zu erzeugen, für die meisten als unmöglich. Doch nur vier Jahre später, 1958, der erste Satellit mit Silikon Sonnenkollektoren drehte sich um die Erde.

In den 1970er Jahren hatten sich die kommerziellen Anwendungen der Solartechnologie auf landgestützte Anwendungen ausgeweitet, beispielsweise für die Stromversorgung von Lichtern auf Offshore-Ölplattformen und Bahnübergängen.

In den letzten zwei Jahrzehnten hat der Einsatz zugenommen Sonnenenergie ist exponentiell gewachsen. Heute machen Silizium-Photovoltaik-Technologien etwa 90 Prozent des globalen Solarenergiemarktes aus.

Produktion

Der Großteil des raffinierten Siliziums – etwa 80 Prozent – ​​wird jedes Jahr als Ferrosilizium für die Verwendung in der Eisen- und Stahlproduktion hergestellt. Ferrosilicium kann je nach Anforderungen der Schmelze zwischen 15 und 90 % Silizium enthalten.

Die Legierung aus Eisen und Silizium wird mithilfe eines Tauchlichtbogenofens durch Reduktionsschmelzen hergestellt. Mit Kieselgel gemahlenes Erz und eine Kohlenstoffquelle wie Kokskohle (metallurgische Kohle) werden zerkleinert und zusammen mit dem Altmetall in den Ofen geladen.

Bei Temperaturen über 1900 °C (3450 °F) reagiert der Kohlenstoff mit dem im Erz vorhandenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxidgas. Das verbleibende Eisen und Silizium werden dann zu geschmolzenem Ferrosilizium zusammengeführt, das durch Klopfen auf den Boden des Ofens gesammelt werden kann.

Nach dem Abkühlen und Aushärten kann Ferrosilicium verschifft und direkt in der Eisen- und Stahlproduktion verwendet werden.

Mit der gleichen Methode, ohne den Einsatz von Eisen, wird Silizium in metallurgischer Qualität gewonnen, das zu mehr als 99 Prozent rein ist. Metallurgisches Silizium wird auch in der Stahlherstellung sowie bei der Herstellung von Aluminiumgusslegierungen und Silanchemikalien verwendet.

Metallurgisches Silizium wird nach dem in der Legierung vorhandenen Verunreinigungsgrad von Eisen, Aluminium und Kalzium klassifiziert. Beispielsweise enthält 553 Siliziummetall jeweils weniger als 0,5 Prozent Eisen und Aluminium und weniger als 0,3 Prozent Kalzium.

Die Welt produziert jedes Jahr etwa 8 Millionen Tonnen Ferrosilicium, wobei China etwa 70 Prozent dieser Menge ausmacht. Zu den wichtigsten Produzenten zählen die Erdos Metallurgy Group, Ningxia Rongsheng Ferroalloy, Group OM Materials und Elkem.

Weitere 2,6 Millionen Tonnen metallurgisches Silizium – oder etwa 20 Prozent des gesamten raffinierten Siliziummetalls – werden jährlich produziert. Auf China wiederum entfallen etwa 80 Prozent dieser Produktion.

Was viele überrascht, ist, dass Solar- und Elektroniksilizium nur einen geringen Anteil (weniger als zwei Prozent) der gesamten raffinierten Siliziumproduktion ausmacht.

Um auf Siliziummetall (Polysilizium) in Solarqualität umzusteigen, muss die Reinheit auf 99,9999 % reines reines Silizium (6N) erhöht werden. Dies geschieht auf eine von drei Arten, wobei die gebräuchlichste das Siemens-Verfahren ist.

Beim Siemens-Verfahren handelt es sich um die chemische Gasphasenabscheidung eines flüchtigen Gases namens Trichlorsilan. Bei 1150 °C (2102 °F) wird Trichlorsilan auf einen am Ende des Stabs montierten hochreinen Siliziumkeim geblasen. Beim Durchströmen lagert sich hochreines Silizium aus dem Gas auf den Samen ab.

Wirbelschichtreaktoren (FBR) und verbesserte metallurgische Siliziumtechnologie (UMG) werden auch verwendet, um das Metall zu Polysilizium aufzuwerten, das für die Photovoltaikindustrie geeignet ist.

Im Jahr 2013 wurden 230.000 Tonnen Polysilicium produziert. Zu den führenden Herstellern zählen GCL Poly, Wacker-Chemie und OCI.

Um schließlich Silizium in Elektronikqualität für die Halbleiterindustrie und einige Photovoltaiktechnologien geeignet zu machen, muss Polysilizium durch den Czochralski-Prozess in hochreines monokristallines Silizium umgewandelt werden.

Dazu wird Polysilizium in einem Tiegel bei 1425 °C (2597 °F) in einer inerten Atmosphäre geschmolzen. Der abgeschiedene Impfkristall wird dann in die Metallschmelze getaucht, langsam gedreht und herausgenommen, damit das Silizium Zeit hat, auf dem Impfmaterial zu wachsen.

Das resultierende Produkt ist ein Stab (oder eine Kugel) aus monokristallinem Siliziummetall, dessen Reinheit bis zu 99,999999999 (11 N) Prozent betragen kann. Dieser Stab kann bei Bedarf mit Bor oder Phosphor dotiert werden, um die quantenmechanischen Eigenschaften nach Bedarf zu modifizieren.

Der monokristalline Stab kann unverändert an Kunden geliefert oder in Scheiben geschnitten und für bestimmte Benutzer poliert oder texturiert werden.

Anwendung

Während jedes Jahr etwa 10 Millionen Tonnen Ferrosilicium und Siliciummetall raffiniert werden, besteht der Großteil des vermarkteten Siliciums tatsächlich aus Siliciummineralien, die zur Herstellung von Zement, Mörtel und Keramik bis hin zu Glas und Polymeren verwendet werden.

Ferrosilicium ist, wie bereits erwähnt, die am häufigsten verwendete Form von Siliciummetall. Seit seiner ersten Verwendung vor etwa 150 Jahren ist Ferrosilicium ein wichtiges Desoxidationsmittel bei der Herstellung von Kohlenstoff- und Edelstahl geblieben. Auch heute noch ist die Stahlindustrie der größte Abnehmer von Ferrosilicium.

Ferrosilicium hat jedoch über die Stahlherstellung hinaus eine Reihe von Vorteilen. Es handelt sich um eine Vorlegierung bei der Herstellung von Ferrosilicium-Magnesium, einem Nodulator, der zur Herstellung von formbarem Eisen und auch beim Pidgeon-Prozess zur Raffinierung von hochreinem Magnesium verwendet wird.

Aus Ferrosilizium lassen sich auch thermisch und korrosionsbeständige Eisenlegierungen herstellen, ebenso wie Siliziumstahl, der bei der Herstellung von Elektromotoren und Transformatorkernen verwendet wird.

Metallurgisches Silizium kann in der Stahlproduktion und auch als Legierungsmittel verwendet werden Aluminiumguss. Automobilteile aus Aluminium-Silizium (Al-Si) sind leichter und fester als aus reinem Aluminium gegossene Komponenten. Automobilteile wie Motorblöcke und Reifen gehören zu den am häufigsten verwendeten Aluminiumgussteilen.

Fast die Hälfte des gesamten metallurgischen Siliziums wird verwendet chemische Industrie zur Herstellung von rauchender Kieselsäure (Verdickungs- und Trockenmittel), Silanen (Bindemittel) und Silikon (Dichtstoffe, Klebstoffe und Schmiermittel).

Polysilizium in Photovoltaikqualität wird hauptsächlich bei der Herstellung von Polysilizium-Solarzellen verwendet. Um ein Megawatt Solarmodule herzustellen, werden etwa fünf Tonnen Polysilizium benötigt.

Derzeit macht die Polysilizium-Solartechnologie mehr als die Hälfte der weltweit produzierten Solarenergie aus, während die Monosilizium-Technologie etwa 35 Prozent ausmacht. Insgesamt werden 90 Prozent der vom Menschen genutzten Sonnenenergie mithilfe der Siliziumtechnologie gesammelt.

Monokristallines Silizium ist auch ein wichtiges Halbleitermaterial in der modernen Elektronik. Als Substratmaterial für die Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs), LEDs und integrierten Schaltkreisen ist Silizium in fast allen Computern zu finden. Mobiltelefone, Tablets, Fernseher, Radios und andere moderne Kommunikationsgeräte.

Schätzungen zufolge enthalten mehr als ein Drittel aller elektronischen Geräte Halbleitertechnologie auf Siliziumbasis.

Schließlich wird Carbid-Siliziumkarbid in einer Vielzahl elektronischer und nichtelektronischer Anwendungen verwendet, darunter synthetischer Schmuck, Hochtemperaturhalbleiter, Hartkeramik, Schneidwerkzeuge, Bremsscheiben, Schleifmittel, kugelsichere Westen und Heizelemente.