Home About us Products Services Contact us Bookmark
:: wikimiki.org ::
Silikatmineral

Silikatmineral

#In der Chemie ist ein Silikat eine Verbindung von Silizium und Sauerstoff (SixOy), einem oder mehreren Metallen und eventuell auch Hydroxid-Ionen. Mit Silikat bezeichnet man auch die Salze des Siliziums und der Kieselsäuren, siehe auch Quarz. #In der Mineralogie bilden die Silikate oder Silikatminerale eine große Mineralgruppe. Die Erdkruste besteht zu über 90 Prozent, der Erdmantel fast vollständig aus Silikaten. Die häufigsten Silikate in der Erdkruste sind mit 50-60 Volumenprozent die Feldspäte. Andere wichtige gesteinsbildende Minerale sind Glimmer, Tonminerale, Amphibole, Pyroxene, Granat und Olivin. Das häufige Mineral Quarz (SiO2) wird in deutschsprachiger Literatur zu den Oxiden gezählt, im anglo-amerikanischen Schrifttum zu den Silikaten gerechnet.

Struktur

Allen Silikatmineralen ist ein gemeinsames Bauprinzip eigen, deshalb lassen sie sich relativ einfach in eine systematische Ordnung bringen. Die Grundbausteine aller Silikate sind SiO4-Tetraeder. Ein Siliziumatom ist dabei von vier Sauerstoffatomen umgeben. Die Sauerstoffatome berühren sich wegen ihrer Größe, in der Mitte bleibt Platz für das relativ kleine Siliziumatom (der freie Raum heißt Tetraederlücke). Eine weitere Eigenschaft der Silikate besteht in der Fähigkeit der Sauerstoffatome gleichzeitig an verschiedenen SiO4-Komplexen teilzuhaben. Daraus ergeben sich neben isolierten SiO4-Tetraedern weitere, zusammengesetzte Bauelemente:
- isolierte Tetraeder
- Doppeltetraeder
- Ringstrukturen
- Einfach- und Doppelketten
- Schichtstrukturen
- Gerüststrukturen Aluminium kann das sich chemisch ähnlich verhaltende Silizium ersetzen (substituieren), Silikate in denen dies passiert nennt man Alumosilikate. Bei Einbau von Aluminium (Al3+ statt Si4+) in das Mineralgitter muss Ladungsausgleich durch Einbau weiterer positiv geladener Ionen (Kationen) erfolgen. Das Al:Si-Verhältnis kann den Wert 1 nicht überschreiten, reine Aluminate kommen in der Natur nicht vor.

Systematik der Silikatminerale

Die Silikate bilden wie bereits erwähnt eine äußerst ausgedehnte Mineralfamilie. Es treten große Unterschiede hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Kristallsymmetrie, Bindungsarten und Struktur der Grundbausteine auf. Es bestehen deshalb verschiedene Klassifikationsschemata für Silikatminerale. Die in Deutschland übliche Systematik teilt die Silikate nach dem Grad der Polymerisation der SiO4-Tetraeder ein.

Bemerkungen zur Schreibweise der chemischen Summenformeln

Eine vereinfachte schematische Formel von Silikaten ist: :\mathrm . An die Stelle der Sauerstoff-Siliziumkomplexe können Hydroxid- oder Fluoridionen treten. Die Position von "M" wird von einem oder mehreren Metallionen bis zum Ladungsausgleich besetzt. In das Gitter von besonders weitmaschigen Silikaten kann auch Wasser eingelagert werden. Wenn in einem bestimmten Mineral tatsächlich einige der SixOy-Komplexe durch Ionen wie Fluorid (F-) oder Hydroxid (OH-) ersetzt werden, so deutet man das durch senkrechte Trennstriche im letzten Term der Formel an, zum Beispiel :\mathrm, Kaolinit. Eingelagertes Wasser wird folgendermaßen notiert: :\mathrm, Analcim.

Klassifizierung nach dem Polymerisationsgrad der SiO4-Tetraeder

Inselsilikate (Nesosilikate)

Bei den Inselsilikaten liegen isolierte SiO4-Tetraeder vor. Vertreter:
- Olivin: (Mg,Fe)_2[SiO_4]
- Zirkon: Zr[SiO_4]

Gruppensilikate (Sorosilikate)

Je zwei SiO4-Komplexe sind über ein Sauerstoffatom zu Doppeltetraedern verbunden, wobei dieser so genannte Brückensauerstoff jedem SiO4-Tetraeder zur Hälfte angehört. Das Si:O Verhältnis in Gruppensilikaten ist damit 2:7. Diese Struktur kommt weniger häufig vor, ein Beispiel ist das Mineral Gehlenit (Ca2Al[(Si,Al)2O7]).

Ringsilikate (Cyclosilikate)

In Ringsilikaten sind die SiO4-Tetraeder zu isolierten Dreier-, Vierer- und Sechserringen gruppiert. Jedes Siliziumion teilt sich je zwei Sauerstoffionen mit zwei benachbarten Tetraedern. Daraus ergeben sich die folgenden Formeln für die Ringstrukturen :
- [Si3O9]6-
- [Si4O12]8-
- [Si6O18]12-. Beryll (Al2Be3[Si6O18]) und Turmaline gehören zu den Ringsilikaten.

Einfach- und Doppelkettensilikate (Inosilikate)

Zu den Kettensilikaten gehören zwei wichtige Gruppen von gesteinsbildenden Mineralen: Pyroxene und Amphibole. Die Pyroxene bilden eindimensionale Einfachketten, dabei gehören je zwei der Sauerstoffionen gleichzeitig zwei Tetraederkomplexen an, woraus sich ein Si:O-Verhältnis von 1:3 ergibt (z.B. Diopsid (CaMg[Si2O6]). Amphibole bilden eindimensionale Doppelketten. Dabei sind zwei Einfachketten seitlich über Brückensauerstoffe verbunden. Gegenüber den Einfachketten hat zusätzlich jeder zweite Tetraeder jeder Einfachkette mit seinem jeweiligen Nachbarn ein Sauerstoffion gemeinsam. Das Si:O-Verhältnis bei Doppelkettensilikaten beträgt 4:11. In solchen silikatischen Doppelketten sind Hohlräume vorhanden, in die (OH)-- und F--Ionen eintreten können. In der chemischen Summenformel wird das durch einen vertikalen Strich zum Ausdruck gebracht. Ein Mineral aus der Gruppe der Amphibole ist Aktinolith (Ca2(Mg,Fe)5[(OH)2|Si8O22]).

Schichtsilikate (Phyllosilikate)

Durch weitergehende Polymerisation bilden sich aus Kettenstrukturen zweidimensionale Schichtstrukturen von SiO4-Tetraedern. Innerhalb einer Schicht teilt sich dabei jedes Siliziumion drei seiner Sauerstoffionen mit seinen Nachbarn. Das Si:O-Verhältnis der Schichtsilikate beträgt 2:5. Zwischen den SiO4-Schichten befinden sich Hohlräume die mit (OH)-- und F--Ionen besetzt werden können. Die Schichtsilikate besitzen eine weitergehende Systematik und werden unterteilt in Zwei- und Dreischichtsilikate, eine weitere Unterteilung berücksichtigt die Strukturen und Ionen, die sich zwischen zwei Tetraederschichten befinden. Zu den Schichtsilikaten gehören Mineralgruppen wie Glimmer, Talk, Serpentin und Tonminerale wie Vermiculit, Beispiele sind Muskovit (ein Dreischichtsilikat) (KAl2[(OH)2|AlSi3O10]) und Kaolinit (ein Zweischichtsilikat) (Al4[(OH)8|Si4O10].

Gerüstsilikate (Tectosilikate)

Bei Gerüstsilikaten gehört jedes Sauerstoffion gleichzeitig zwei benachbarten Tetraedern an. Dadurch entstehen dreidimensionale Netzwerkstrukturen. Es ergibt sich die chemische Summenformel SiO2; das ist Quarz. Für weitere Gerüstsilikate muss Silizium durch Aluminium ersetzt werden. Der Ladungsausgleich erfolgt durch Einlagerung von Kationen. Zu den Gerüstsilikaten gehören die Feldspäte und Feldspatvertreter, eine wegen ihrer Häufigkeit außerordentlich wichtige Gruppe von Mineralen. Beispiele sind Minerale aus der Mischreihe der Plagioklase (Albit - Anorthit): (NaAlSi3O8 - CaAl2Si2O8). In das weitmaschige Gitternetz einiger Feldspatvertreter können sogar große Moleküle wie H2O eingebaut werden. Bei hoher Temperatur entweicht das Wasser, wird jedoch bei niedriger Temperatur in mit Wasserdampf gesättigter Umgebung wieder ins Kristallgitter eingebaut. Diese wasserhaltigen Minerale gehören zur Gruppe der Zeolithe (z. B. Natrolith (Na2[Al2Si3O10]
- nH2O).

Amorphe Silikate

Opal ist amorphes Siliziumdioxid mit eingelagertem Wasser (SiO2
- nH2O). Er wird wie Quarz von einigen Autoren zu den Oxidmineralen gestellt. Die hochstrukturierten Schalen von Kieselalgen (Diatomee) und von Strahlentierchen (Radiolaria) sind aus amorphem Siliziumdioxid (SiO2) aufgebaut.

Klassifikation nach Kostov

Diese Einteilung beruht hauptsächlich auf der chemischen Zusammensetzung des Silikats und seiner Kristallmorphologie, siehe weiter unten den Punkt "Weitere Literatur".

Technische Silikate

Viele Silikate werden industriell gefertigt. Hier sind an prominentester Stelle die Gläser zu nennen. Diese werden in der Regel aus Quarzsand (SiO2) und Metalloxiden in einem Glasschmelzofen hergestellt (z.B. Fa. Schott / Mainz [http://www.schott.com]). In Wasser lösliche Gläser, sogenannte Wassergläser, werden ebenso aus Quarzsand (SiO2) und Metalloxiden (hier: Na2O - z.B. als Soda Na2CO3 oder K2O) in einem Glasschmelzofen hergestellt (z.B. Fa. Cognis / Düsseldorf [http://www.cognis.com]). Aus Wasserglas werden großtechnisch durch Reaktion mit Säuren u.a. Gele, Kieselsäure, Silikate und Zeolithe hergestellt. Gele (Silicagel) erhält man durch Reaktion von Wasserglas mit Schwefelsäure unter sauren Reaktionsbedingungen (z.B. Fa. Grace / Worms [http://www.grace.com]). Wird die Reaktion unter basischen Bedingungen durchgeführt erhält man sogenannte "gefällte" Kieselsäuren (Kieselsäure) (z.B. Fa. Degussa / Wesseling [http://www.degussa.com]). Silikate erhält man durch Reaktion von Wasserglas mit sauren Metallsalzen (z.B. Aluminiumsulfat).

Vorkommen


- Silikate kommen in allen Wässern in niedriger Konzentration gelöst vor.
- Manche Organismengruppen bilden kieselige Skelette, die Hauptproduktion erfolgt vermutlich durch planktonisch lebende Organismen wie Diatomeen /Kieselalgen und Strahlentierchen / Radiolaren. Manche Schwämme bauen ebenfalls kieselige Gerüststrukturen auf.
- Alle erdähnlichen Planeten bestehen zu einem großen Teil aus Silikaten.

Verwendung

Als Schmuck- und Edelsteine


- Die Inselsilikate Granat, Olivin, Topas und Zirkon werden in reiner Qualität als Schmucksteine verkauft.
- Die Quarzvarietäten Amethyst, Aventurin, Chalcedon, Citrin, Moosachat sind beliebte Schmucksteine.
- Die Feldspäte Amazonit, Labradorit und der Feldspatvertreter Sodalith werden als Schmucksteine verwendet.
- Smaragd, ein Edelstein, ist eine Varietät von Beryll.

Industriell


- Talk ist vielseitig verwendbar. Er wird in der Farben- und Glasindustrie und als Schmiermittel verwendet. Als gemahlener Grundstoff (dann Talcum genannt) ist er in vielen Kosmetika enthalten und bestimmte Sportler, Turner reiben ihre Hände damit ein, um nicht abzugleiten.
- Asbest (Chrysotil) wurde wegen seiner Isolier-, Dämm- und feuerfesten Eigenschaften beim Bauen verwendet ist aber wegen gesundheitsschädigenden Nebenwirkungen mittlerweile aus der Mode gekommen. Zur Herstellung feuerfester und korrosionsbeständiger Werkstoffe sind auch die Minerale Zirkon, Muscovit, Andalusit, Sillimanit und Disthen geeignet.
- Kaolinit ist ein wichtiger Rohstoff für die Keramikindustrie z. B. zur Herstellung feuerfester Tiegel und von Mauer- und Dachziegeln.
- Zeolithe finden Verwendung als Ionentauscher (so genannte Molekularsiebe) und als Phosphat-Ersatz zur Enthärtung von Wasser in Waschmitteln, in Zierteichen, um dem Wasser Nährstoffe zu entziehen, verhindert Eutrophierung, sogar als Nahrungsergänzung zur "Entschlackung".
- Wasserglas als Kleber, Füllstoff z.B. in der Papierindustrie, zum Abdichten von feuchtem Mauerwerk, Zusatz in diffusionsoffenen Putzmischungen.
- Nanosilikate eignen sich wegen ihrer großen Oberfläche und Adsorptionsfähigkeit als Träger für Katalysatormaterialien oder medizinische Wirkstoffe. Hier wird die Herstellung im großtechnischen Maßstab noch erforscht; erste Durchbrüche wurden mit den Stöbersilikaten erreicht, die im Labormaßstab hergestellt werden können.

Weitere Literatur


- W. L. Bragg (1930): The structure of silicates. Z. Kristallogr., 74: 237--305.
- W. A. Deer, W. A. Howie und J. Zussman (1982): Rock-Forming Minerals, Volume 1A: Orthosilicates. Longman, London, 2. Auflage.
- I. Kostov (1975): Crystal chemistry and classification of silikate minerals. Geokhimiya, Mineralogiya i Petrologiya. 1: 5--41.
- F. Liebau (1962): Die Systematik der Silikate. Naturwissenschaften. 49: 481--491.
- S. Matthes (1993): Mineralogie. Springer-Verlag, Berlin, 4. Auflage.("inzwischen gibt es eine neue Ausgabe, Datum unbekannt")
- S. Na'ray-Szabo (1930): Ein auf der Kristallstruktur basierendes Silicatsystem. Z. Physik. Chem. Abt.. B9: 356--377.
- H. Pichler und C. Schmitt-Riegraf (1987): Gesteinsbildende Minerale im Dünnschliff. Enke Verlag.
- P. H. Ribbe (1982): Reviews in mineralogy Volume 5: Orthosilicates. Mineralogical Society of America, Washington, 2. Auflage.
- J. V. Smith und W. L. Brown (1988): Feldspar Minerals, Volume 1. Springer-Verlag, Berlin, 2. Auflage.
- H. Strunz (1978): Mineralogische Tabellen, 3, 7. Auflage Akademische Verlagsgesellschaft Gees & Portig, Leipzig.
- W. E. Tröger (1952): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 1: Bestimmungstabellen. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 4. Auflage.
- W. E. Tröger (1967): Optische Bestimmung der gesteinsbildenden Minerale, Teil 2: Textband. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, ?. Auflage.
- T. Zoltai (1960): Classifikation of silicates and other minerals with tetrahedral structures. American mineralogist. 45: 960--973

Weblinks


- [http://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Silikat Mineralienatlas - Silikat]
- [http://ruby.chemie.uni-freiburg.de/Vorlesung/silicate_0.html Komplette Vorlesung über Silikate von ruby.chemie.uni-freiburg.de]
- [http://www.min-web.de/silikate.htm Mineralogie-web.de] Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Mineral

Chemie

Die Chemie (von arabisch al-kimiya' ) ist die Lehre vom Aufbau, Verhalten und der Umwandlung der chemischen Elemente und ihren Verbindungen sowie den dabei geltenden Gesetzmäßigkeiten. Die Chemie entstand in ihrer heutigen Form als exakte Naturwissenschaft im 17. und 18. Jahrhundert allmählich aus der Anwendung rationalen Schlußfolgerns auf Beobachtungen und Experimente der Alchemie. Einige der ersten großen Chemiker waren Robert Boyle, Humphry Davy, Jöns Jacob Berzelius, Joseph Louis Gay-Lussac, Joseph-Louis Proust, Marie und Antoine Lavoisier und Justus von Liebig. Justus von Liebig

Was ist Chemie?

Definition

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit Stoffen (Substanzen), deren Umsetzung(en) (chemischen Reaktionen), sowie der Darstellung (Synthese), der Bestimmung und der Anwendung dieser Stoffe (bzw. deren Eigenschaften) beschäftigt. Da die für die Chemie relevanten Eigenschaften der Atome fast ausschließlich in ihrer elektronischen Struktur (Elektronenhülle) begründet liegen, können grundlegende Aufgabengebiete der Chemie auch als „Physik der äußeren Elektronenhülle“ betrachtet werden. Der Atomkern hat praktisch keinen Einfluss auf chemische Prozesse. Untersuchungen zum Aufbau von Atomkernen fallen nicht in den Bereich der Chemie, sondern sind Bestandteil der Kernphysik.

Stoff und Stoffumsetzung

Die chemisch kleinsten Grundbausteine, aus denen alle uns umgebenden Materialien bestehen, sind die Elemente, welche sich zu chemischen Verbindungen zusammenschließen. Eine Stoffumsetzung nennt man chemische Reaktion; sie steht im Zentrum der Chemie. In einer chemischen Reaktion kommt es niemals zu Elementumwandlungen, was die Chemie als Naturwissenschaft grundsätzlich von der mittelalterlichen Vorstellung der Alchemie abgrenzt. Elementumwandlungen sind rein physikalische Prozesse (z.B. radioaktiver Zerfall).

Atom und Molekül

Alchemieen umkreisen einen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen]] Atome sind für den Chemiker die Grundbausteine der Materie, da sie sich chemisch nicht in kleinere Einheiten spalten lassen. Ein chemisches Element besteht aus Atomen mit einer bestimmten Anzahl an Protonen im Kern. Chemische Elemente können dennoch aus verschiedenen Atomen (Isotope) bestehen, die sich in der Anzahl an Neutronen im Kern unterscheiden. Verschiedene Isotope zeigen gleiches chemisches, aber unterschiedliches physikalisches Verhalten (z.B. Siedepunkt, Schmelzpunkt). Die chemischen Elemente können in mannigfaltiger Weise chemische Bindungen untereinander eingehen. Dann spricht man von einer chemischen Verbindung. Je nach Polarität der Bindung zwischen den Elementen unterscheidet man unpolare kovalente Bindungen, polare kovalente Bindungen und ionische Bindungen, in denen mindestens ein Elektron der miteinander eine chemische Verbindung eingehenden Elemente oder Moleküle ganz bei einem Bindungspartner lokalisiert ist. Verbindungen, in denen die Elemente kovalent miteinander gebunden sind nennt man Moleküle. Verbindungen, die ionisch aufgebaut sind, nennt man Salze. Von Molekülionen spricht man, wenn elektrisch geladene Moleküle vorliegen. Des weiteren spricht man von einer metallischen Bindung, wenn die äußeren Elektronen, die für eine chemische Bindung zur Verfügung stehen, zwischen den Atomen delokalisiert und frei beweglich sind. Die chemischen Elemente selbst liegen als Metalle, als Moleküle (z.B. die zweiatomigen Gase der 2. Periode: O2, N2, F2) oder als Atome (ausschließlich die Edelgase: He, Ne, Ar, Kr, Xe und Rn) vor. Die Art und Weise, wie sich die Atome eines Elementes verbinden, kann dabei immer noch unterschiedlich sein und zu so unterschiedlichen Substanzen wie Graphit und Diamant führen, beides Modifikationen elementaren Kohlenstoffs. Auch kann ein Element als eine metallische und als eine Modifikation mit kovalenten Bindungen vorliegen, z.B. Zinn. Für die chemischen Eigenschaften einer Verbindung ist es jedoch nicht nur entscheidend, welche Atome sie enthält, sondern wie diese miteinander verbunden sind (siehe Chemische Bindung). Bei bestimmten chemischen Verbindungen, vor allem bei Proteinen, sind nicht nur die Bindungen zwischen den Atomen maßgeblich für die chemischen Eigenschaften sondern auch die räumliche Ausrichtung dieser Bindungen. Die Herausforderung bei der chemischen Synthese besteht in der Regel darin, selektiv Bindungen zwischen einzelnen Atomen der Reaktandmoleküle zu lösen und/oder zu knüpfen, um dadurch eine gewünschte Substanz (Reaktionsprodukt) herzustellen.

Bedeutung der Chemie

Geschichte der Chemie

Hauptartikel: Geschichte der Chemie Die Chemie entwickelte sich aus der Alchemie, die in China, Europa und Indien schon seit Jahrtausenden praktiziert wurde. Alchemie war die Untersuchung von Materie, wobei die Vorstellungswelt der Alchemisten nicht auf wissenschaftlichen Untersuchungen basierte, sondern auf Erfahrungstatsachen und empirischen Rezepten. Das Ziel ihrer Untersuchungen war eine Substanz mit dem Namen Stein der Weisen, die Stoffe wie Blei in Gold verwandeln sollte. Alchemisten führten eine große Auswahl Experimente mit vielen Substanzen durch, um diesen Stoff zu finden. Sie notierten ihre Entdeckungen und verwendeten für ihre Aufzeichnungen die gleichen Symbole, wie sie auch in der Astrologie üblich waren. Die mysteriöse Art ihrer Tätigkeit und die dabei fabrizierten farbigen Flammen, Rauch oder Explosionen führten dazu, dass sie als Magier und Hexer bekannt und teilweise verfolgt wurden. Für ihre Experimente entwickelten die Alchemisten die gleichen Apparaturen, wie sie heute noch in der chemischen Verfahrenstechnik verwendet werden. Ein bekannter Alchemiker war Albertus Magnus. Er befasste sich als Kleriker mit diesem Themenkomplex und fand bei seinen Experimenten ein neues chemisches Element, das Arsen. Kein Alchemiker hat allerdings je den Stein der Weisen entdeckt und im 17. Jahrhundert wurde die alchemistische Arbeitsweise durch wissenschaftliche Methodik ersetzt. Einiges vom Wissen der Alchemisten wurde von den ersten Chemikern verwendet, die ihre Arbeit auf logische Schlussfolgerungen ihrer Beobachtungen gründeten und nicht auf der Idee, beispielsweise Blei in Gold zu verwandeln. wissenschaft Entscheidende Impulse erhielt die Chemie als Wissenschaft im 19. Jahrhundert. Die Arbeiten von Justus von Liebig über die Wirkungsweise von Dünger begründeten die Agrarchemie und lieferten wichtige Erkenntnisse über die anorganische Chemie. Die Suche nach einem synthetischen Ersatz für den Farbstoff Indigo zum Färben von Textilien waren der Auslöser für die bahnbrechenden Entwicklungen der organischen Chemie und der Pharmazie. Auf beiden Gebieten hatte man in Deutschland bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts eine absolute Vorrangstellung. Dieser Wissensvorsprung ermöglichte es beispielsweise, den zur Führung des ersten Weltkrieges notwendigen Sprengstoff statt aus importierten Nitraten mit Hilfe der Katalyse aus dem Stickstoff der Luft zu gewinnen (siehe Haber-Bosch-Verfahren). Die Autonomiebestrebungen der Nationalsozialisten gaben der Chemie als Wissenschaft weitere Impulse. Um von den Importen von Erdöl unabhängig zu werden, wurden Verfahren zur Verflüssigung von Steinkohle entwickelt (Fischer-Tropsch-Synthese). Ein weiteres Beispiel war die Entwicklung von synthetischem Kautschuk für die Herstellung von Fahrzeugreifen. In der heutigen Zeit ist die Chemie ein wichtiger Bestandteil der Lebenskultur geworden. Chemische Produkte umgeben uns überall, ohne dass wir uns dessen bewusst sind. Allerdings haben Unfälle der chemischen Großindustrie wie beispielsweise die von Seveso und Bhopal der Chemie ein sehr negatives Image verschafft, so dass Slogans wie "Weg von der Chemie!" sehr populär werden konnten. Die Forschung entwickelte sich um die Wende zum 20. Jahrhundert soweit, dass vertiefende Studien des Atombaus nicht mehr zum Bereich der Chemie gehören, sondern zur Atomphysik bzw. Kernphysik. Diese Forschungen lieferten dennoch wichtige Erkenntnisse über das Wesen der chemischen Stoffwandlung und der chemischen Bindung. Weitere wichtige Impulse gingen dabei auch von Entdeckungen in der Quantenphysik aus (Elektronen-Orbitalmodell).

Chemie im Alltag

Chemische Reaktionen im Alltag finden zum Beispiel beim Kochen, Backen oder Braten statt, wobei oft gerade die hier ablaufenden, recht komplexen Stoffumwandlungen zum typischen Aroma der Speise beitragen. Weiterhin wird Nahrung chemisch zerlegt und mit körpereigenen Abbauvorgängen in Bestandteile und auch Energie umgewandelt (Biochemie). Eine gut beobachtbare chemische Reaktion ist die Verbrennung. Haarfärbung, Verbrennungsmotoren, Handy-Displays, Waschmittel, Dünger, Arzneimittel u.v.m. sind weitere Beispiele für Anwendungen der Chemie im alltäglichen Leben. Im Alltag wird der Begriff 'Chemie' oft in einem eingeschränkten Sinn als Abkürzung für 'Produkt der chemischen Industrie' verwendet, zum Beispiel bei der 'Chemischen Reinigung': Diese reinigt Textilien mit (synthetischen) Lösungsmitteln. Der Reinigungsvorgang selbst ist in der Regel ein Lösen der Verunreinigung (beispielsweise eines Fettflecks) im Lösungsmittel und damit kein chemischer Prozess (Stoffumwandlung) im eigentlichen Sinne, sondern ein physikalischer Vorgang (Lösen)! Im Gegensatz dazu ist das manchmal als 'Putzen ohne Chemie' gepriesene Auflösen von Kalkflecken mit Essig oder Zitronensaft sehr wohl ein chemischer Vorgang, da dabei festes Calciumcarbonat (Kalk) durch die Säuren zu löslichem Hydrogencarbonat bzw. Kohlenstoffdioxid umgesetzt wird.

Chemie als Wissenschaft

Die Chemie befasst sich mit den Eigenschaften der Elemente und Verbindungen, mit den möglichen Umwandlungen eines Stoffes in einen anderen, macht Vorhersagen über die Eigenschaften für bislang unbekannte Verbindungen, liefert Methoden zur Synthese neuer Verbindungen und Messmethoden um die chemische Zusammensetzung unbekannter Proben zu entschlüsseln. Obwohl alle Stoffe aus vergleichsweise wenigen "Bausteinsorten", nämlich aus etwa 80 bis 100 der 118 bekannten Elemente aufgebaut sind, führen die unterschiedlichen Kombinationen und Anordnungen der Elemente zu einigen Millionen sehr unterschiedlichen Verbindungen, die wiederum so unterschiedliche Materieformen wie Wasser, Sand, Pflanzen- und Tiergewebe aufbauen. Die Art der Zusammensetzung bestimmt schließlich die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Stoffe und macht damit die Chemie zu einer recht umfangreichen Wissenschaft.
Wie in allen Naturwissenschaften ist auch in der Chemie das Experiment die tragende Säule. An ihm werden Theorie über die Art der Umwandlung eines Stoffes in einen anderen Stoff entworfen, überprüft, erweitert und wenn nötig auch verworfen. Fortschritte in den verschiedenen Teilgebieten der Chemie sind oftmals die unabdingbare Voraussetzung für neue Erkenntnisse in anderen Disziplinen, besonders in den Bereichen Biologie und Medizin, aber auch im Bereich der Physik (zum Beispiel Herstellung neuer Supraleiter). An der Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie hat sich als weites Fachgebiet die Biochemie etabliert, die für das Verständnis der Lebensvorgänge, die untrennbar mit Stoffumsätzen verbunden sind, unentbehrlich ist. Dieser Sachverhalt wird manchmal mit dem Satz "Alles Leben ist Chemie" zum Ausdruck gebracht, da die meisten 'greifbaren' und messbaren Vorgänge im lebenden Organismen auf chemischen Reaktionen beruhen. Für die Medizin ist die Chemie bei der Suche nach neuen Medikamenten und bei der Herstellung von Arzneimitteln unentbehrlich. Die Ingenieurwissenschaften suchen häufig je nach Anwendung nach maßgeschneiderten Materialien (leichte Materialien im Flugzeugbau, beständige und belastbare Baustoffe, hochreine Halbleiter...). Hier hat sich als Schnittstelle zwischen Chemie und den Ingenieurswissenschaften die Materialwissenschaft entwickelt.

Wirtschaftliche Bedeutung der Chemie

Die chemische Industrie ist - gerade auch in Deutschland - ein sehr bedeutender Wirtschaftszweig: In Deutschland liegt der Umsatz der Chemieindustrie bei über 100 Milliarden Euro, die Zahl der Beschäftigten lag nach der Wiedervereinigung Deutschlands bei über 700 000 und ist jetzt unter 500 000 gesunken. Sie stellt einmal Grundchemikalien wie beispielsweise Schwefelsäure oder Ammoniak her - oft im Maßstab von Millionen von Tonnen jährlich -, die sie dann zum Beispiel zur Produktion von Düngemitteln und Kunststoffen verwendet. Andererseits produziert sie viele komplexe Stoffe, insbesondere Medikamente, maßgeschneidert für spezielle Zwecke. Auch die Herstellung von Computern, Kraft- und Schmierstoffen für die Automobilindustrie und vielen anderen technischen Produkten ist ohne industriell hergestellte Chemikalien unmöglich.

Ansehen der Chemie

Die Chemie hat in der Öffentlichkeit - auch aufgrund von Chemiekatastrophen und Umweltskandalen - ein relativ schlechtes Ansehen. Viele Fachleute empfinden dies angesichts des Nutzens und der allgemeinen Bedeutung der Chemie und bezogen auf die heutige Situation in Europa für nicht gerechtfertigt, weil hier unter anderem durch eine ziemlich strikte Gesetzgebung (Chemikaliengesetz, Gefahrstoffverordnung) eine vergleichsweise sichere Handhabung von Chemikalien gewährleistet ist. Um dem entgegenzuwirken, wurde das Jahr 2003 von verschiedenen Trägerorganisationen zum "Jahr der Chemie" ([http://www.jahr-der-chemie.de Netseite]) erklärt.

Fachrichtungen

Üblicherweise wird die Chemie in drei große Bereiche eingeteilt.
- Anorganische Chemie (Chemie der Elemente und der Verbindungen ohne Kohlenstoffkette)
- Organische Chemie (Chemie der Kohlenstoffverbindungen)
- Physikalische Chemie (Anwendung mathematisch-physikalischer Methoden auf chemische Problemstellungen) Die traditionelle aber auch etwas willkürliche Unterscheidung zwischen anorganischer und organischer Chemie wird auch heute noch beibehalten. Ein Grund besteht darin, dass die organische Chemie stark vom Molekül bestimmt wird, die anorganische Chemie oft von Ionen, Kristallen, Komplexverbindungen und Kolloiden. Ein Gebiet, in dem sich die beiden Fachbereiche stark überlappen, ist die Organometallchemie. Die Physikalische Chemie unterscheidet sich von Anorganik und Organik nicht durch das Untersuchungsobjekt, sondern dadurch, dass hier versucht wird, selbiges mittels physikalischer Modelle zu beschreiben. Neben diesen drei großen Bereichen gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Fachgebiete, die oft in einem Grenzbereich zu einer anderen Wissenschaft angesiedelt sind.
- Die Allgemeine Chemie befasst sich mit den Grundlagen der Chemie
- Die Technische Chemie beschäftigt sich mit der Umsetzung von chemischen Reaktionen im Labormaßstab auf großmaßstäbliche Industrieproduktion.
- Die in lebenden Organismen vorkommenden und umgesetzten Stoffe sind Thema der Biochemie
- Die für lebende Organismen schädlichen Substanzen werden in der Toxikologie behandelt
- Die Kernchemie, auch Radiochemie genannt, behandelt die Eigenschaften und Umsetzungen radioaktiver Stoffe
- Die Theoretische Chemie versucht durch Rechnung und/oder Computersimulation Eigenschaften von Stoffen vorherzusagen und physikalische Modelle zu entwickeln.
- Die Makromolekulare Chemie befasst sich mit Polymeren
- Die Chemie im Weltall wird von der Kosmochemie behandelt
- Das Hauptziel der Computerchemie ist es, Software zu erstellen und anzuwenden, um Eigenschaften von Molekülen zu berechnen.
- Die Geochemie beschäftigt sich mit dem stofflichen Aufbau der Erde
- ... Eine weitere Möglichkeit ist es, die Chemie nach der Zielrichtung in die untersuchende, 'zerlegende' Analytische Chemie und in die aufbauende, produktorientierte Präparative- oder Synthetische Chemie aufzuspalten. In der Lehrpraxis der Universitäten ist die Analytische Chemie oft als Unterrichtsfach vertreten, während die Synthetische Chemie im Rahmen der organischen oder anorganischen Chemie behandelt wird.

Chemie in der Wikipedia

Das Wikipedia-Chemie-Portal

Allgemeine Chemie

:Chemische Grundbegriffe :Elemente (alphabetisch) :Periodensystem der chemischen Elemente :Atommodell :Substanzen :Chemische Reaktionen :Verbindungen :Chemikalienliste :Liste der Säuren :Liste der Laborgeräte :chemische Gefahrenzeichen :Liste der Liganden-Abkürzungen

Anorganische Chemie

:Metalle :Nichtmetalle :Festkörperchemie :Komplexchemie

Organische Chemie

:Namensreaktionen :Nomenklatur :Kunststoffchemie :Naturstoffchemie :Petrochemie :Stereochemie

Physikalische Chemie

:Thermodynamik :Kinetik :Quantenmechanik :Elektrochemie :Kristallographie :Molekülspektroskopie

Biochemie

:Genetik :Biotechnologie :Medizinische Chemie :Pharmazeutische Chemie

Theoretische Chemie

:Quantenmechanik :Quantenchemie :Thermodynamik :Statistische Mechanik

Analytische Chemie

:Qualitative Analyse :Quantitative Analyse :Anorganische analytische Chemie :Organische analytische Chemie :Lebensmittelchemie :Mikrochemie und Spurenanalyse :Klinische Chemie (vgl. Labormedizin) und Toxikologie :Chemometrik :Chromatographische Analysenverfahren :Spektroskopische Analysenverfahren

Technische Chemie

:Chemische Verfahrenstechnik :Chemische Reaktionstechnik

Spezielle Chemie

:Bioanorganische Chemie :Geochemie :Kosmochemie :Lebensmittelchemie :Metallorganische Chemie (oder Organometallchemie) :Umweltchemie :Wasserchemie

Chemische Grundbegriffe


- Chemische Grundbegriffe

Chemischer Formalismus


- chemischer Formalismus

Berühmte Chemiker


- Bedeutende Chemiker (chronologisch) (nach Geburtsdatum geordnet)
- Bedeutende Chemiker (alphabetisch)
- Bedeutende Chemiker (Kategorien) (nach den Fachgebieten geordnet, dort alphabetisch)
- Liste der Nobelpreisträger für Chemie, Nobelpreisträger

Literatur


- Eine Zusammenstellung von ausgewählten Beiträgen aus Spekturm der Wissenschaft: Digest: Moderne Chemie. Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH, Heidelberg, Juni 1995,
- Pedro Cintas: Der Weg zu chemischen Namen und Eponymen: Entdeckung, Priorität und Würdigung. Angewandte Chemie 116(44), S. 6012 - 6018 (2004),
- Joachim Kranz; Manfred Kuballa: Chemie im Alltag, Berlin, 2003, 3-589-21692-1

Weblinks


- [http://dc2.uni-bielefeld.de Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie]
- [http://www.versuchschemie.de Chemieforum und Experimente]
- [http://www.chemikalien.de Portal mit Forum zur Chemie]
- [http://www.chemie-lk.de Chemie-Portal mit Forum für den Chemie-Leistungskurs]
- [http://www.TOMCHEMIE.de Chemie-Portal mit Forum und einem Chemiechat, Tomchemie]
- [http://www.chemie.de Deutsches Chemie-Portal]
- [http://www.Netchemie.de Netchemie - Chemie für Schule Studium und Alltag: Lexika, Versuche, Software und Forum]
- [http://www.cci.ethz.ch/de/start.html Chemische Experimente auf dem WEB] - Ziel dieses Angebotes der ETHZ ist es, den Studierenden und Dozierenden auf Video aufgezeichnete Experimente jederzeit bereitzustellen
- [http://www.experimentalchemie.de Experimentalchemie.de] - Chemische Experimente für Unterricht und zu Showzwecken ---- ! als:Chemie ja:化学 ko:화학 ms:Kimia simple:Chemistry th:เคมี

Silizium

Silizium (fachsprachlich: Silicium; engl.: silicon) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14.

Allgemeines

Silizium steht in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) des Periodensystems der Elemente und zählt zu den Halbmetallen. Reines, elementares Silizium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typischen metallischen Glanz auf. Halbmetall Es ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Hochreines Silizium für Solarpanels oder Halbleiter weist einen typischen metallischen, bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Solarpanel Elementares Silizium ist für den menschlichen Körper ungiftig, in gebundener silikatischer Form ist Silizium für den Menschen essentiell. Siliziummangel führt unter anderem zu Wachstumsstörungen des Knochengerüstes. Der menschliche Körper enthält etwa 20 mg/kg Körpergewicht Silizium, der Wert nimmt im Alter jedoch ab. Silizium weist wie nur wenige andere Stoffe eine sog. Dichteanomalie auf, seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in fester.

Geschichte

Entdeckung des Elements

Im Jahr 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und der französische Adlige Baron Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) vermutlich erstmals unreines und amorphes Silizium durch Umsetzung von Siliziumtetrafluorid mit elementarem Kalium her. Ein ähnliches Vorgehen wurde 1824 von Jöns Jakob Berzelius in Schweden durch Umsetzung eines Hexafluorosilikates mit elementarem Kalium beschritten. Berzelius reinigte das so erhaltene amorphe Silizium durch Waschen auf, erkannte als erster die elementare Natur des Siliziums und gab ihm auch seinen Namen. Der Begriff Silizium leitet sich vom lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silizium häufiger Bestandteil vieler Minerale ist. In der Tat ist Silizium mit einem Anteil von etwa 26 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und noch vor Aluminium das zweithäufigste Element der Erdkruste. Der englische Begriff silicon wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thompson vorgeschlagen. Die Endung -on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen. Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliziums gelang im Jahre 1854 dem französischem Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.

Silizium in der Menschheitsgeschichte

Siliziumhaltige Verbindungen spielten in der Menschheitsgeschichte eine wichtige Rolle. Bereits in vorgeschichtlicher Zeit ist zum Beispiel Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial abgebaut und durch Handel weithin verbreitet worden. Auch Flintstein wurde in Kreidegebieten in Belgien und Dänemark bergmännisch gewonnen. In gewaltigen Steinsetzungen wie Stonehenge wird religiöse und astronomische Bedeutung vermutet. Astgeflecht-Lehmbau für Herde, Öfen, Gebäude, luftgetrocknete, später gebrannte Kacheln und Ziegel und Tongefäße werden die folgende Verwendung des Siliciums darstellen. Mit den Städtegründungen aus Ziegelbauwerken wird dann auch die Unterjochung der Bauern eingesetzt haben, die wohl die am längsten ununterbrochen andauernde Bearbeitung des Siliciums zu fruchtbarem Boden bis heute fortgeführt haben. Sichere Bearbeitung und Handhabung gewaltigster Gesteinmassen wird in ägyptischer Zeit vollendet. Bei der Metallgewinnung, insbesondere bei der Stahlherstellung werden der Herde und Öfen, wird Silicat-Schlacke als Schutz vor Sauerstoffzutritt und als Form aus Ton oder Sand eingesetzt und dabei womöglich die Glasherstellung entdeckt. Gewölbebauten im Orient aus gebrannten Ziegeln werden von den Römern zu hohen Aquädukten und Innenräumen von bis zu 40 Meter Spannweite weiter entwickelt. Ein unter Wasser härtender Zement aus gebrannten Silicaten wird von ihnen entdeckt. Straßenbau für hohe Belastung und Dauerhaftigkeit auf Schotterunterbau wird in römischer Zeit entwickelt. Glasfenster machen Gebäude für die Römer auch in den nördlichen Besatzungsgebieten bewohnbar und werden von den Einheimischen übernommen. In Sandstein und Mauerstein wird der Gewölbebau in der Gotik zu höchster Vollendung gebracht. Mit Beginn der Neuzeit erweitern Fernrohr und Mikroskop den Sehsinn für Makro- und Mikrokosmos, Brillen gestatten Sehfehler zu korrigieren. Entdeckung der Porzellanherstellung im 18, Jh. Im 19 Jh. werden Stahl-(Silicium als Legierung, Flussmittel, Formsand, Sauerstoffschutz), Zement-, Glas-Herstellung als Großindustrien entwickelt, ebenfalls die Kunstdüngerherstellung. Säure-, basen-, feuerfeste Glasbehälter gestatten, die Forschung in der Chemie zu erweitern. Wie für die Glühlampe werden evakuierte Glaskolben in Röntgen-, Kino-, Radio-, Fernsehgeräten verwendet. 1947 entdecken John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, den Transistor, zunächst an einem Germaniumkristall. und es dauert einige Zeit, bis das verbindungsfreudige Silicium in die für Halbleitereigenschaften notwendige Reinheit isoliert werden kann. 1956 entwickeln unabhängig von einander Robert Noyce bei Fairschild und Jack S. Kilby bei Texas Instruments die Integrierte Schaltung. 1970 wird bei Intel die pogrammierbare Integrierte Schaltung, die Vorstufe zum Mikroprozessor entwickelt. November 2005 werden erste erfolgversprechende Versuchsergebnisse mit Siliciumlasern berichtet.

Vorkommen

Etwa 26 Gewichtsprozent der Erdrinde bestehen aus Silizium, es tritt in der Natur ausschließlich als Oxid auf, und zwar entweder in Form von Siliziumdioxid oder in Form silikatischer Mineralien. Intel Wesentliches Bauelement aller Silizium-Sauerstoff-Verbindungen sind dabei immer SiO4-Tetraeder. Durch Polykondensation solcher SiO4-Tetraeder, die über gemeinsame Ecken, Kanten oder Flächen verknüpft werden, können komplexe Ketten, Ringe, Schichten und andere Vernetzungsmuster ausgebildet werden. So bestehen Sand und Quarz vorwiegend aus Siliziumdioxid. Viele Halbedelsteine bestehen im wesentlichen aus Siliziumdioxid, etwa der Bergkristall, Amethyst, Rosen-und Rauchquarz, Achat, Jaspis und Opal. Mit vielen Metalloxiden bildet Silizium Silikate aus. Beispiele für silikathaltige Gesteine sind Glimmer, Asbest, Ton, Schiefer, Feldspat und Sandstein. Neben der bereits erwähnten essentiellen Natur des Siliziums, gibt es eine Reihe von Lebewesen, die siliziumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. Am bekanntesten sind dabei die Kieselalgen (Diatomeen), welche sich durch enzymkatalysierte Kondensation von Monokieselsäure Si(OH)4 ein Exoskelett aus Siliziumdioxid aufbauen. Auch die Blätter des Schachtelhalms erhalten durch ein Siliziumdioxidgerüst zusätzliche Stabilität. In der Fauna bilden auch viele Schwämme und Radiolarien Exoskelette aus Siliziumdioxid. Siehe auch Kieselsäure.

Gewinnung und Verwendung

Elementares Silizium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung in der Metallurgie (Ferrosilizium), der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips). Demgemäß ist es in der Wirtschaft gebräuchlich, elementares Silizium anhand unterschiedlicher Reinheitsgrade zu klassifizieren. Man unterscheidet Simg (metallurgical grade, Rohsilizium, 98-99 % Reinheit), Sisg (solar grade, Solarsilizium, 99.99 % Reinheit) und Sieg (electronic grade, Halbleitersilizium, Verunreinigungen < 1 ppb).

Rohsilizium

Im industriellen Maßstab ist elementares Silizium durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C erhältlich.
SiO_2 + 2 C \rightarrow Si + 2 CO
Von diesem industriellen Rohsilizium (Simg) wurden im Jahr 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen hergestellt. Es ist für metallurgische Zwecke ausreichend sauber und findet Verwendung als Legierungsbestandteil für Weißblech und Stähle (Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit) sowie als Ausgangsstoff für die Silanherstellung über das Rochow-Verfahren, welche schließlich im Wesentlichen zur Herstellung von Silikonen dienen. Zur Herstellung von Ferrosilizium für die Stahlindustrie (Desoxidationsmittel im Hochofenprozess) wird zweckmäßigerweise obige Reaktion unter Anwesenheit von elementarem Eisen durchgeführt.
SiO_2 + 2 C + Fe \rightarrow FeSi + 2 CO
Weltweit stellen aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und langen Bauzeiten für die notwendigen Öfen nur wenige Firmen Rohsilizium her. Die Hauptproduzenten sind Hemlock aus den USA, Wacker-Chemie aus Deutschland, Tokuyama aus Japan, die REC Gruppe aus Norwegen und ASiMI aus Japan (Stand 2004/2005).

Solarsilizium

Für photovoltaische Anwendungen muss das Rohsilizium jedoch weiter zum Solarsilizium (Sisg) gereinigt werden. Dazu wird es im Siemens-Verfahren zunächst mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 1100 °C in einem Wirbelschichtreaktor zu Trichlorsilan (Silicochloroform) umgesetzt.
Si + 3 HCl \rightarrow H_2 + HSiCl_3
Nach aufwändigen Destillationsschritten wird das Silicochloroform in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliziumstäben wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silizium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Als Nebenprodukte fällt Siliciumtetrachlorid an, welches entweder zu Trichlorsilan umgesetzt und in den Prozess zurückgeführt, oder in der Sauerstoffflamme zu pyrogener Kieselsäure verbrannt wird. Eine chlorfreie Alternative zu obigem Verfahren stellt die Zersetzung von Monosilan dar, welches ebenfalls aus den Elementen gewonnen werden kann und nach einem Reinigungsschritt an beheizten Oberflächen oder beim Durchleiten durch Wirbelschichtreaktoren wieder zerfällt.
SiH_4 \rightarrow 2 H_2 + Si
Das auf diesen Wegen erhaltene polykristalline Solarsilizium ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von > 99.99 %. Hier werden genau wie beim Einsatz in der Mikroelektronik die halbleitenden Eigenschaften des Siliziums ausgenutzt.

Halbleitersilizium

Wirbelschichtreaktor Für Anwendungen in der Mikroelektronik wird hochreines, monokristallines Halbleitersilizium (Sieg) benötigt. Insbesondere müssen Verunreinigung mit Elementen, welche auch als Dotierelemente geeignet sind, mithilfe des Tiegelziehens oder Zonenschmelzens unterhalb kritischer Werte gebracht werden. Beim Tiegelziehen (Czochralski-Verfahren) wird das im Siemensverfahren erhaltene Solarsilizium in Quarztiegeln geschmolzen. Ein Impfkristall aus hochreinem, monokristallinen Silizium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silizium in monokristalliner Form auf dem Kristall wächst und nochmals Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist die Schmelzpunkterniedrigung. Alternativ wird beim Zonenschmelzen mit Hilfe einer (ringförmigen) elektrischen Induktionsheizung eine Schmelzzone durch einen Siliziumstab gefahren, wobei sich ein Großteil der Verunreinigungen in der Schmelze lösen und mitwandern. Hochreines, kristallines Silizium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik. Alle gängigen Computer-Chips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Arsen, Antimon, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silizium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silizium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung Silicon Valley ("Silizium-Tal") für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Wichtigkeit des Siliziums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.

Reaktivität und Verbindungen

In allen in der Natur auftretenden und der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silizium ausschließlich Einfachbindungen aus. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel, wonach Silizium als Element der 3. Periode keine Mehrfachbindungen ausbildet, muss mittlerweile jedoch als überholt angesehen werden, da inzwischen eine Vielzahl synthetisch hergestellter Verbindungen mit Si-Si-Doppelbindungen bekannt sind. Im Jahr 2004 wurde die erste Verbindungen mit einer formalen Si-Si-Dreifachbindungen strukturell charakterisiert. Silizium tritt in chemischen Verbindungen in der Regel vierwertig auf, es sind allerdings auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene) bekannt. Demgemäß ist das Siliziumatom in Verbindungen in der Regel vierfach koordiniert. Daneben existieren aber mittlerweile eine Reihe von Verbindungen in denen Silizium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist. Silizium stellt in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar, obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silizium existieren. Besonders erwähnenswert ist die Inversion der Bindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang von Kohlenstoff (Elektronegativität (EN=2,55)) zum Silizium (EN=1,9, (Wasserstoff, (EN=2,1)), weshalb Siliziumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität als Kohlenwasserstoffe aufweisen. Kohlenwasserstoffe Daneben bildet Silizium in den Siliciden auch echte Anionen aus. Die gesamte Chemie des Siliziums ist im Wesentlichen durch die hohe Affinität des Siliziums zum Sauerstoff geprägt. binäre Verbindungen
- Siliziumcarbid
- Siliziumdioxid
- Siliziumnitrid
- Silicide Silikate
- Zirkon und alle anderen Silikate Siliziumhalogenide
- Siliziumtetrafluorid
- Siliziumtetrachlorid
- Trichlorsilan (Silicochloroform) Siliziumwasserstoffe
- Monosilan
- Silane Organische Siliziumverbindungen
- Tetramethylsilan (TMS, NMR-Standard)
- Methylchlorsilane (Bausteine für Silikone)
- Phenylchlorsilan Polymere Siliziumverbindungen
- Silikone (Silicone, Polyorganosiloxane)
- Polysilane

Sonstiges

Werden SiO4-Tetraeder durch organische Reste modifiziert und polymerisiert, erhält man die Silikone (Silicone), die zu den wichtigsten industriellen Kunststoffen gehören. Silikone und Silizium selbst werden von Nichtfachleuten öfters verwechselt, da die englischen Namen (silicone und silicon) sehr ähnlich sind. Poröses Silizium kann unter Lasereinstrahlung und Zunahme von Sauerstoff hochexplosiv sein, wie Forscher der Technischen Universität München zufällig entdeckt haben. Sprengungen im Mikrometerbereich sind möglich. Die Detonationsgeschwindigkeit und Detonationsenergie sind höher als bei TNT und Dynamit. Allerdings waren dazu Temperaturen um den absoluten Nullpunkt notwendig. Ob diese Eigenschaft in Zukunft technisch genutzt werden oder sogar das Dynamit ersetzen kann, ist allerdings noch fraglich. Denn um poröses Silizium reaktionsfähig zu machen sind Temperaturen von unter -180 °C erforderlich. Die Verwendung von flüssigem Sauerstoff steigert den Effekt noch, denn durch bessere Versorgung der Siliziumoberfläche mit Sauerstoff erreicht man einen möglichst vollständige Verbrennung des Materials. Mögliche Einsatzgebiete wären im Weltraum zu suchen, wo solche Temperaturen vorherrschen. Durch die hohe Präzision ließen sich z. B. Satelliten vom Mutterschiff abtrennen. Denkbar wäre ein Einsatz auch in der Automobilindustrie zur schnelleren Zündung für Airbags.

Siehe auch

Glas, Sand, Gestrecktes Silizium

Literatur


- Silicon and siliceous structures in biological systems, Tracy L. Simpson, Benjamin E. Volcani (Engl.), New York : Springer-Verlag, 1981. ISBN 0387905928 ISBN 3540905928

Weblinks


- http://www.3sat.de/nano/cstuecke/12119/ Silizium als Energiequelle
- [http://www.weltderwunder.de/wdw/Technik/Hightech/Sprengstoff/2_SupersprengstoffausSilizium/ Silizium als Sprengstoff (Welt der Wunder)] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Gruppe-14-Element Kategorie:Periode-3-Element Kategorie:Halbmetall Kategorie:Halbleiter Kategorie:Sprengstoff ja:ケイ素 ko:규소 th:ซิลิคอน

Sauerstoff

Sauerstoff (auch Oxygenium; von griech. oxýs „scharf, spitz, sauer“ und genese „erzeugen“) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol O und der Ordnungszahl 8. Atomarer Sauerstoff, das heißt Sauerstoff in Form freier, einzelner Sauerstoffatome, kommt in der Natur nicht vor. Elementar tritt Sauerstoff überwiegend in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Sauerstoff-Atomen, auf (molekularer Sauerstoff, auch Dioxygen, Disauerstoff, Summenformel O2). Die wenig stabile allotrope Form aus drei Sauerstoffatomen (O3) wird Ozon genannt. Flüssiger Sauerstoff wird in der Raketentechnik als Oxidationsmittel verwendet und mit LOX (liquid oxigen) abgekürzt.

Geschichte

Sauerstoff wurde 1774 unabhängig voneinander durch Joseph Priestley und Carl Wilhelm Scheele entdeckt. Von der Urzeit bis über das Mittelalter hinaus war das Feuer für den Menschen eine unerklärliche Erscheinung. Lange Zeit wurde es von den Menschen als Gabe des Himmels hingenommen. Die Chemiker des Mittelalters, die sog. Alchimisten, fingen an, sich über das Wesen des Feuers Gedanken zu machen. Sie kamen dabei zu der Ansicht, das Feuer sei ein Grundstoff. Gegen Ende des 17. Jahrhunderts suchte man eine Erklärung für die Verbrennung. Die Forscher vermuteten einen „leichten geheimnisvollen Stoff“, der aus dem brennenden Stoff entweicht. Bei dieser Annahme blieb man auch dann noch, als der schwedische Apotheker Carl Wilhelm Scheele 1772 den Sauerstoff entdeckte. Er nannte ihn lange Zeit Feuerluft. Neben dem Sauerstoff erforschte der Deutsch-Schwede mit einfachsten Hilfsmitteln aus seiner Apotheke Ammoniak, Stickstoff und andere chemische Stoffe. Er konnte sich aber nicht erklären, wie Verbrennung mit Sauerstoff zusammenhängt. Völlig unabhängig von Scheeles Entdeckungen kam der Engländer Joseph Priestley zu gleichen Forschungsergebnissen, allerdings 2 Jahre später.
Obwohl Scheele zeitlich früher als Priestley den Sauerstoff entdeckte, kamen seine Ergebnisse später an die Öffentlichkeit. Die Ursache dafür war die schleppende Veröffentlichung durch die Presse. Der Sauerstoff war erforscht, doch seine Bedeutung bei der Verbrennung noch nicht geklärt. Dafür sorgte der Franzose Antoine Lavoisier. Beim Experimentieren kam er zu dem Ergebnis, dass sich bei der Verbrennung ein Stoff mit Sauerstoff verbindet. Er konnte mit einer Waage nachweisen, dass ein Stoff beim Brennen nicht leichter, sondern schwerer wird. Der Grund dafür ist das Gewicht des Sauerstoffs, der während der Verbrennung aufgenommen wird. Die Erklärung der Verbrennung, die uns heute selbstverständlich, notwendig und unabkömmlich erscheint, ist also das Ergebnis langen Forschens.

Etymologie

Früher machte man den Sauerstoff für die Bildung von Säuren verantwortlich. Tatsächlich entstehen die meisten anorganischen Säuren bei der Lösung von Nichtmetalloxiden in Wasser, welches aus Wasserstoff und Sauerstoff besteht. Dass aber nicht der Sauerstoff, sondern der Wasserstoff für den Säurecharakter verantwortlich war, erkannte man erst später; ein Beweis ist die Salzsäure, sie ist auch als Gas eine Säure und besteht aus der Verbindung von Chlor mit Wasserstoff und enthält keinen Sauerstoff. So müsste eigentlich der Sauerstoff Wasserstoff und der Wasserstoff Sauerstoff heißen. Der Begriff Sauerstoff (Oxygenium) wurde 1779 von Lavoisier vorgeschlagen.

Vorkommen

Das Element Sauerstoff stellt in der Erdhülle mit 49,4 Masse-% das häufigste, im Weltall das dritthäufigste Element dar. Eine bedeutende Form des Sauerstoffs ist O2, unter Normalbedingungen ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Es ist ein Bestandteil der Luft (etwa 21 Volumenprozent) und in Gewässern gelöst. In der Luft hält sich der relativ reaktionsfreudige Sauerstoff auf Dauer nur wegen der Tatsache, dass die Erde Lebewesen beherbergt, die Sauerstoff produzieren - ansonsten würde er nur in Verbindungen vorkommen. Die Entwicklung der Sauerstoffkonzentrationen in der Erdatmosphäre wird im Artikel Entwicklung der Erdatmosphäre beschrieben. Häufig kommt Sauerstoff in Verbindungen mit anderen Elementen als Oxid vor. (z.B.: als SiO2 - Sand oder H2O - Wasser)

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Molekülorbital-Verfahren

Oxid Das Sauerstoff-Atom hat 6 Valenzelektronen auf dem 2. Hauptenergieniveau. Die 12 Valenzelektronen eines Sauerstoffmoleküls werden auf vier bindende (ss, sx, py, und pz) aber nur drei antibindende Molekülorbitale (ss
- , py
- , pz
- ) verteilt. Die bindenden x-, y- und z-Molekülorbitale ergeben eine Dreifachbindung. Dieses Modell entspricht eher dem Bindungsabstand von 121 pm und der Bindungsenergie von 626 kJ/mol als das Doppelbindungsmodell. Außerdem erklärt dieses Modell den Paramagnetismus und den radikalischen Charakter des Sauerstoffs, der durch die beiden ungepaarten Elektronen der antibindendem p-Molekülorbitale hervorgerufen wird.

Singulett- und Triplet-Sauerstoff

Gegenüber der langläufigen Meinung handelt es sich beim Sauerstoff-Molekül um zwei ungepaarte Elektronen. Die Sauerstoffatome sind durch eine Einfachbindung verbunden, jedes Sauerstoffatom besitzt zwei Elektronenpaare sowie ein ungepaartes Elektron, deren Spin entweder gleich (Triplett-Sauerstoff) oder entgegengesetzt (Singulett-Sauerstoff) gerichtet ist. Dabei ist der Triplett-Zustand energieärmer. Die Änderung des elektronischen Zustands kann nur über photochemischen Weg oder durch Kollision erfolgen.

Sauerstoff-Ionen

Von Sauerstoff sind folgende Radikalionen bekannt: Dioxygenyl O2+, Hyperoxid (veraltet: Superoxid) O2- und Ozonid O3-. Closed-shell-Ionen sind das Oxid O2- sowie das Peroxid O22-.

Chemische Eigenschaften

Die bekannteste chemische Reaktion ist die Oxidation.

Isotope

Das häufigste stabile Sauerstoffisotop ist 16O, daneben kommt natürlich noch 18O vor. Ihr Anteilsverhältnis in Eisbohrkernen kann zur Schätzung der Durchschnittstemperatur früherer Zeiten dienen, da Wassermoleküle mit dem leichteren 16O schneller verdunsten. Eisschichten mit einem höheren relativen Anteil an 18O stammen demnach aus wärmeren Zeiten. Umgekehrt regnen Wassermoleküle mit dem schwereren Isotop schneller ab, so dass Regenwasser einen höheren 18O-Gehalt aufweist als z.B. See- oder Meerwasser. Auch gibt es regionale Unterschiede in der 18O-Anreicherung in Organismen nach Art ihrer Trinkwasserquelle. Siehe auch: Klimaerwärmung, Ötzi

Verbindungen

Einige bekannte Verbindungen, in denen Sauerstoff vorkommt:
- Oxide
  - Wasser
  - Kohlendioxid, Kohlenmonoxid
  - Siliziumdioxid
  - Hämatit
- Peroxide
- schweflige Säure
- Schwefelsäure
- Zucker
- Zirkon
- Silikate

Gewinnung/Darstellung von O2

Sauerstoff als O2 wird heutzutage durch die fraktionierte Destillation von flüssiger Luft (Linde-Verfahren nach Carl von Linde) hergestellt. Dieses beruht auf dem Joule-Thomson-Effekt. Das Linde-Verfahren wird seit 1905 technisch eingesetzt. Davor war die Thermolyse von Bariumperoxid die einzige Möglichkeit, Sauerstoff großtechnisch aus Luft herzustellen: 2\,\mathrm_2 \rightarrow 2\,\mathrm + \mathrm_2 (bei 700°C) BaO2 selbst kann man durch Einwirken von O2 auf BaO bei 500°C erzeugen. Reinsten Sauerstoff erhält man durch die Elektrolyse von Kalilauge: Kathodenreaktion: 2\,\mathrm^++2\,e^-\rightarrow 2\,\mathrm Kathodenreaktion 2: 2\,\mathrm+2\,\mathrm_2\mathrm\rightarrow 2\,\mathrm+\mathrm_2 Anodenreaktion 1: 2\,\mathrm^- \rightarrow 2\,\mathrm + 2\,e^- Anodenreaktion 2: 2\,\mathrm \rightarrow \mathrm_2\mathrm + 1/2\;\mathrm_2 O2 wird ebenfalls bei der Spaltung von Oxiden frei. Am leichtesten (mit geringster Temperatur) erreicht man dies durch Spaltung von Edelmetalloxiden. Z. B.: 2\,\mathrm_2\mathrm \rightarrow 4\,\mathrm + \mathrm_2 (bei T > 160°C)

Biologische Bedeutung

Sauerstoff wird von Cyanobakterien, Algen und Pflanzen bei der oxygenen Photosynthese aus Wasser freigesetzt. Die Cyanobakterien (veraltet auch als Blaualgen bezeichnet) waren dabei die ersten Organismen, die molekularen Sauerstoff als ihr Abfallprodukt in der Atmosphäre anreicherten.
Eukaryotische Organsimen - also auch der Mensch - benötigen heute diesen Sauerstoff in Form von O2 für ihren Stoffwechsel. Er fungiert dabei wie in einer normalen Redoxreaktion als Elektronenakzeptor, wobei er sich wieder mit Wasserstoff zu Wasser verbindet. Dies entspricht einer kontrollierten Knallgasreaktion. Sie läuft im Rahmen der Atmungskette bei den Eukaryoten in den Mitochondrien ab.
Bei den Prokaryonten gibt es aerobe und anaerobe Mikroorganismen. Anaerobe nutzen einen anderen Elektronenakzeptor, der aber zum Teil auch eine Sauerstoffverbidnung wie Nitrat oder Sulfat sein kann. Die starke Reaktivität der Sauerstoffionen, die auch im Stoffwechsel von Lebewesen entstehen, können Zellstrukturen zerstören und machen Schutzenzyme notwendig. Daher ist Sauerstoff für einige Mikroorganismen toxisch und wird nicht zuletzt für bestimmte Alterungseffekte beim Menschen verantwortlich gemacht.

Weitere Probleme:
- Atmung bei Hochdruck
- Tauchen/siehe auch Apollo 1)

Nachweis und Konzentrationsmessung

Sauerstoff kann dadurch nachgewiesen werden, dass er Verbrennungen unterhält. Am einfachsten ist die sogenannte Glimmspanprobe, bei der ein leicht glühender Holzspan in das zu untersuchende Gasgemisch gehalten wird, ein Aufleuchten weist auf hohe Sauerstoffkonzentrationen hin. Zur genaueren Bestimmung der Sauerstoffkonzentration eines Gases finden unterschiedliche Meßverfahren Anwendung, die von dem jeweils zu erfassenden Konzentrationsbereich sowie den begleitenden Substanzen abhängen. Man kann physikalische und chemische Meßverfahren unterscheiden. Zu den physikalischen Meßverfahren zählt das paramagnetische Verfahren. Es geht von der Tatsache aus, daß die Sauerstoffmoleküle auf Grund ihres permanenten magnetischen Dipolmoments paramagnetisch sind, alle anderen Gase mit geringen Ausnahmen diamagnetisch sind. Bei der meßtechnischen Realisierung in sog. thermomagnetischen Geräten wird das Meßgas der Wirkung eines Magnetfeldes und anschließend in einem Teilstrom einem Temperaturfeld ausgesetzt. Es entsteht in der Meßzelle eine Gasströmung, der sog. "magnetische Wind". Die Geräte können auch für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen ausgebildet werden. Ein weit verbreitetes elektrochemisches Meßverfahren nutzt die Sauerstoffleitfähigkeit von Zirkondioxid aus. Leitet man das sauerstoffhaltige Meßgas beispielsweise durch ein auf über 700 °C erhitztes Zirkondioxid-Röhrchen, das innen und außen Elektroden trägt und außen der Umgebungsluft ausgesetzt ist, dann entsteht an den Elektroden eine elektrische Spannung, die nach dem Nernstschen Gesetz von der absoluten Elektrodentemperatur und dem Verhältnis der Sauerstoffpartialdrücke an den beiden Elektroden abhängt. Der Sauerstoffpartialdruck der Luft dient hierbei als bekannte und konstante Vergleichsgröße. Bevorzugte Anwendungen sind Rauchgasmeßsonden und die in den Kraftfahrzeugen verwendeten Lambda-Sonden. Mit Hilfe von Zirkondioxid-Sensoren können ohne Probleme einerseits Sauerstoffpartialdrücke im ppm-Bereich (parts per million) und andererseits bei hohen Temperaturen (ca. 1.500 °C) gemessen werden.

Siehe auch


- Knallgasreaktion
- Carbogen
- Oxidation
- Phlogiston
- Hydroxid
- Rost (Korrosion)
- Ozon

Weblinks


- [http://www.hcrs.at/LIQUIDO2.HTM flüssiger Sauerstoff]
- [http://www.chemieseite.de/hauptelemente/node26.php Sauerstoff: Darstellung, Sigulett Triplett, Ozon]
- [http://www2.uni-jena.de/chemie/institute/oc/weiss/arbeitsvorschrift.htm Reaktion mit Singulett Sauerstoff] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Chalkogen Kategorie:Periode-2-Element Kategorie:Gas Kategorie:Nichtmetall als:Sauerstoff ja:酸素 ko:산소 ms:Oksigen simple:Oxygen th:ออกซิเจน

Hydroxid

Hydroxide sind salzähnliche Stoffe, die Hydroxid-Ionen (OH-) als negative Gitterbausteine (Anionen) enthalten. Lösliche Hydroxide wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid bilden mit Wasser stark alkalische Lösungen (Laugen), die unter der Bezeichnung Natronlauge und Kalilauge bekannt sind. Weniger gut lösliche Hydroxide, z.B. Bariumhydroxid oder Calciumhydroxid bilden mit Wasser schwach alkalische Suspensionen. Die gesättigten Lösungen bezeichnet man als Barytwasser oder Kalkwasser.

Struktur wässriger Hydroxidlösungen

In wässriger Lösung ist das Hydroxidion in der Regel von vier bis fünf Wassermolekülen umgeben. Dabei sind vier Wassermoleküle so um das Sauerstoff-Atom des OH- angeordnet, dass sie jeweils eine Wasserstoffbrücke zu diesem ausbilden können (sie zeigen also mit einem Proton auf das OH-). Diese vier Wassermoleküle befinden sich näherungsweise in einer Ebene mit dem OH--Ion, also in einer anderen Geometrie als bei der (wie bei sp3-Hybridisierung erwartet) annähernd tetraedrischen Anordnung der Elektronenpaare im Wasser und im H3O+. Das OH--Ion kann mit seinem Proton auch eine - allerdings schwache - Wasserstoffbrücke ausbilden, so dass die Komplexe [OH-(H2O)4] und [OH-(H2O)5] auftreten, je nachdem, ob diese ausgebildet ist oder nicht.

Siehe auch


- Base (Chemie)
- Portal:Chemie Kategorie:Stoffgruppe

Ion (Chemie)

Ein Ion (von altgriechisch ἰόν: „sich fortbewegend“) ist ein elektrisch geladenes Atom oder Molekül. Entsprechend werden die Ionen Atomion und Molekülion genannt. Ionen sind durch Elektronenmangel positiv oder durch Elektronenüberschuss negativ geladen. Positiv geladene Ionen werden Kationen genannt, negativ geladene Anionen, da sie jeweils in einem elektrischen Feld zur Kathode (Minuspol) oder zur Anode (Pluspol) wandern.

Kennzeichnung

Ein Ion wird in der Chemie allgemein mit NiMen- (Nichtmetall-Ion) oder mit Men+ (Metall-Ion) gekennzeichnet. Beispiele sind:
- Na+ - Natrium-Ion (n wird hier weggelassen, da n gleich eins ist)
- S2− - Sulfid-Ion
- NH4+ - Ammoniumion, ein Molekülion

Eigenschaften

Der Radius von Ionen unterscheidet sich von dem des entsprechenden Atoms. Der Kationenradius ist kleiner – aufgrund der Nichtbesetzung der äußeren Orbitale –, der der Anionen meistens größer, da die äußeren Orbitale mit Elektronen aufgefüllt und/oder weitere Orbitale neu besetzt werden. Lösungen, die ionische Substanzen enthalten, Elektrolyte, leiten elektrischen Strom. Abhängig vom Verhältnis Ladung/Radius wirken Ionen unterschiedlich polarisierend in chemische Bindungen. Ionen unterschiedlicher Ladung bilden durch die Ionenbindung Salze. Ein cyclisches Ion ist ein Ion, das in einer Ringstruktur aufgebaut ist.

Vorkommen

Ionen mit mehr als 3 Unter- oder Überschussladungen kommen in der Chemie nur selten vor. In der Physik werden mit Duoplasmatrons hochgeladene Ionen in Beschleunigern erzeugt, denen nahezu alle Elektronen fehlen. Hiermit kann der Atomkern studiert werden oder es können schwere Wasserstoff- oder Heliumartige ein- bzw. zwei-Elektronen-Systeme studiert werden. Ionisierte Edelgase können Ionenbindungen eingehen. Edelgas-Halogenid-Verbindungen werden in Excimerlasern verwendet. Bei Molekülen mit zwei oder mehreren funktionellen Gruppen kann es vorkommen, dass sie an der einen Gruppe eine positive, an einer anderen eine negativ Ladung tragen (insgesamt ist das Molekül dann neutral). Solche polaren Moleküle werden auch als Zwitterionen bezeichnet. Elektrolyte spielen eine große Rolle in Stoffwechselvorgängen und in Batterien. Sternenmaterie liegt in ionisierten Zustand vor, geht hier aber wegen der hohen Temperatur keine chemische Bindung mehr ein. Diesen Zustand nennt man Plasma. Kategorie:Elektrochemie ja:イオン ko:이온 ms:Ion simple:Ion

Silizium

Silizium (fachsprachlich: Silicium; engl.: silicon) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Si und der Ordnungszahl 14.

Allgemeines

Silizium steht in der 4. Hauptgruppe (Tetrele) des Periodensystems der Elemente und zählt zu den Halbmetallen. Reines, elementares Silizium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typischen metallischen Glanz auf. Halbmetall Es ist im Handel sowohl als feinkörniges Pulver als auch in größeren Stücken erhältlich. Hochreines Silizium für Solarpanels oder Halbleiter weist einen typischen metallischen, bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Solarpanel Elementares Silizium ist für den menschlichen Körper ungiftig, in gebundener silikatischer Form ist Silizium für den Menschen essentiell. Siliziummangel führt unter anderem zu Wachstumsstörungen des Knochengerüstes. Der menschliche Körper enthält etwa 20 mg/kg Körpergewicht Silizium, der Wert nimmt im Alter jedoch ab. Silizium weist wie nur wenige andere Stoffe eine sog. Dichteanomalie auf, seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in fester.

Geschichte

Entdeckung des Elements

Im Jahr 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und der französische Adlige Baron Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) vermutlich erstmals unreines und amorphes Silizium durch Umsetzung von Siliziumtetrafluorid mit elementarem Kalium her. Ein ähnliches Vorgehen wurde 1824 von Jöns Jakob Berzelius in Schweden durch Umsetzung eines Hexafluorosilikates mit elementarem Kalium beschritten. Berzelius reinigte das so erhaltene amorphe Silizium durch Waschen auf, erkannte als erster die elementare Natur des Siliziums und gab ihm auch seinen Namen. Der Begriff Silizium leitet sich vom lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) ab. Er bringt zum Ausdruck, dass Silizium häufiger Bestandteil vieler Minerale ist. In der Tat ist Silizium mit einem Anteil von etwa 26 Gewichtsprozent nach Sauerstoff und noch vor Aluminium das zweithäufigste Element der Erdkruste. Der englische Begriff silicon wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thompson vorgeschlagen. Die Endung -on soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (carbon) hinweisen. Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliziums gelang im Jahre 1854 dem französischem Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.

Silizium in der Menschheitsgeschichte

Siliziumhaltige Verbindungen spielten in der Menschheitsgeschichte eine wichtige Rolle. Bereits in vorgeschichtlicher Zeit ist zum Beispiel Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial abgebaut und durch Handel weithin verbreitet worden. Auch Flintstein wurde in Kreidegebieten in Belgien und Dänemark bergmännisch gewonnen. In gewaltigen Steinsetzungen wie Stonehenge wird religiöse und astronomische Bedeutung vermutet. Astgeflecht-Lehmbau für Herde, Öfen, Gebäude, luftgetrocknete, später gebrannte Kacheln und Ziegel und Tongefäße werden die folgende Verwendung des Siliciums darstellen. Mit den Städtegründungen aus Ziegelbauwerken wird dann auch die Unterjochung der Bauern eingesetzt haben, die wohl die am längsten ununterbrochen andauernde Bearbeitung des Siliciums zu fruchtbarem Boden bis heute fortgeführt haben. Sichere Bearbeitung und Handhabung gewaltigster Gesteinmassen wird in ägyptischer Zeit vollendet. Bei der Metallgewinnung, insbesondere bei der Stahlherstellung werden der Herde und Öfen, wird Silicat-Schlacke als Schutz vor Sauerstoffzutritt und als Form aus Ton oder Sand eingesetzt und dabei womöglich die Glasherstellung entdeckt. Gewölbebauten im Orient aus gebrannten Ziegeln werden von den Römern zu hohen Aquädukten und Innenräumen von bis zu 40 Meter Spannweite weiter entwickelt. Ein unter Wasser härtender Zement aus gebrannten Silicaten wird von ihnen entdeckt. Straßenbau für hohe Belastung und Dauerhaftigkeit auf Schotterunterbau wird in römischer Zeit entwickelt. Glasfenster machen Gebäude für die Römer auch in den nördlichen Besatzungsgebieten bewohnbar und werden von den Einheimischen übernommen. In Sandstein und Mauerstein wird der Gewölbebau in der Gotik zu höchster Vollendung gebracht. Mit Beginn der Neuzeit erweitern Fernrohr und Mikroskop den Sehsinn für Makro- und Mikrokosmos, Brillen gestatten Sehfehler zu korrigieren. Entdeckung der Porzellanherstellung im 18, Jh. Im 19 Jh. werden Stahl-(Silicium als Legierung, Flussmittel, Formsand, Sauerstoffschutz), Zement-, Glas-Herstellung als Großindustrien entwickelt, ebenfalls die Kunstdüngerherstellung. Säure-, basen-, feuerfeste Glasbehälter gestatten, die Forschung in der Chemie zu erweitern. Wie für die Glühlampe werden evakuierte Glaskolben in Röntgen-, Kino-, Radio-, Fernsehgeräten verwendet. 1947 entdecken John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley den regelbaren elektrischen Widerstand, den Transistor, zunächst an einem Germaniumkristall. und es dauert einige Zeit, bis das verbindungsfreudige Silicium in die für Halbleitereigenschaften notwendige Reinheit isoliert werden kann. 1956 entwickeln unabhängig von einander Robert Noyce bei Fairschild und Jack S. Kilby bei Texas Instruments die Integrierte Schaltung. 1970 wird bei Intel die pogrammierbare Integrierte Schaltung, die Vorstufe zum Mikroprozessor entwickelt. November 2005 werden erste erfolgversprechende Versuchsergebnisse mit Siliciumlasern berichtet.

Vorkommen

Etwa 26 Gewichtsprozent der Erdrinde bestehen aus Silizium, es tritt in der Natur ausschließlich als Oxid auf, und zwar entweder in Form von Siliziumdioxid oder in Form silikatischer Mineralien. Intel Wesentliches Bauelement aller Silizium-Sauerstoff-Verbindungen sind dabei immer SiO4-Tetraeder. Durch Polykondensation solcher SiO4-Tetraeder, die über gemeinsame Ecken, Kanten oder Flächen verknüpft werden, können komplexe Ketten, Ringe, Schichten und andere Vernetzungsmuster ausgebildet werden. So bestehen Sand und Quarz vorwiegend aus Siliziumdioxid. Viele Halbedelsteine bestehen im wesentlichen aus Siliziumdioxid, etwa der Bergkristall, Amethyst, Rosen-und Rauchquarz, Achat, Jaspis und Opal. Mit vielen Metalloxiden bildet Silizium Silikate aus. Beispiele für silikathaltige Gesteine sind Glimmer, Asbest, Ton, Schiefer, Feldspat und Sandstein. Neben der bereits erwähnten essentiellen Natur des Siliziums, gibt es eine Reihe von Lebewesen, die siliziumdioxidhaltige Strukturen erzeugen. Am bekanntesten sind dabei die Kieselalgen (Diatomeen), welche sich durch enzymkatalysierte Kondensation von Monokieselsäure Si(OH)4 ein Exoskelett aus Siliziumdioxid aufbauen. Auch die Blätter des Schachtelhalms erhalten durch ein Siliziumdioxidgerüst zusätzliche Stabilität. In der Fauna bilden auch viele Schwämme und Radiolarien Exoskelette aus Siliziumdioxid. Siehe auch Kieselsäure.

Gewinnung und Verwendung

Elementares Silizium findet in unterschiedlichen Reinheitsgraden Verwendung in der Metallurgie (Ferrosilizium), der Photovoltaik (Solarzellen) und in der Mikroelektronik (Halbleiter, Computerchips). Demgemäß ist es in der Wirtschaft gebräuchlich, elementares Silizium anhand unterschiedlicher Reinheitsgrade zu klassifizieren. Man unterscheidet Simg (metallurgical grade, Rohsilizium, 98-99 % Reinheit), Sisg (solar grade, Solarsilizium, 99.99 % Reinheit) und Sieg (electronic grade, Halbleitersilizium, Verunreinigungen < 1 ppb).

Rohsilizium

Im industriellen Maßstab ist elementares Silizium durch Reduktion von Siliziumdioxid mit Kohlenstoff im Lichtbogenofen bei Temperaturen von etwa 2000 °C erhältlich.
SiO_2 + 2 C \rightarrow Si + 2 CO
Von diesem industriellen Rohsilizium (Simg) wurden im Jahr 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen hergestellt. Es ist für metallurgische Zwecke ausreichend sauber und findet Verwendung als Legierungsbestandteil für Weißblech und Stähle (Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit) sowie als Ausgangsstoff für die Silanherstellung über das Rochow-Verfahren, welche schließlich im Wesentlichen zur Herstellung von Silikonen dienen. Zur Herstellung von Ferrosilizium für die Stahlindustrie (Desoxidationsmittel im Hochofenprozess) wird zweckmäßigerweise obige Reaktion unter Anwesenheit von elementarem Eisen durchgeführt.
SiO_2 + 2 C + Fe \rightarrow FeSi + 2 CO
Weltweit stellen aufgrund der hohen Anfangsinvestitionen und langen Bauzeiten für die notwendigen Öfen nur wenige Firmen Rohsilizium her. Die Hauptproduzenten sind Hemlock aus den USA, Wacker-Chemie aus Deutschland, Tokuyama aus Japan, die REC Gruppe aus Norwegen und ASiMI aus Japan (Stand 2004/2005).

Solarsilizium

Für photovoltaische Anwendungen muss das Rohsilizium jedoch weiter zum Solarsilizium (Sisg) gereinigt werden. Dazu wird es im Siemens-Verfahren zunächst mit gasförmigen Chlorwasserstoff bei 1100 °C in einem Wirbelschichtreaktor zu Trichlorsilan (Silicochloroform) umgesetzt.
Si + 3 HCl \rightarrow H_2 + HSiCl_3
Nach aufwändigen Destillationsschritten wird das Silicochloroform in Anwesenheit von Wasserstoff in einer Umkehrung der obigen Reaktion an beheizten Reinstsiliziumstäben wieder thermisch zersetzt. Das elementare Silizium wächst dabei auf die Stäbe auf. Der dabei freiwerdende Chlorwasserstoff wird in den Kreislauf zurückgeführt. Als Nebenprodukte fällt Siliciumtetrachlorid an, welches entweder zu Trichlorsilan umgesetzt und in den Prozess zurückgeführt, oder in der Sauerstoffflamme zu pyrogener Kieselsäure verbrannt wird. Eine chlorfreie Alternative zu obigem Verfahren stellt die Zersetzung von Monosilan dar, welches ebenfalls aus den Elementen gewonnen werden kann und nach einem Reinigungsschritt an beheizten Oberflächen oder beim Durchleiten durch Wirbelschichtreaktoren wieder zerfällt.
SiH_4 \rightarrow 2 H_2 + Si
Das auf diesen Wegen erhaltene polykristalline Solarsilizium ist für die Herstellung von Solarpanels geeignet und besitzt eine Reinheit von > 99.99 %. Hier werden genau wie beim Einsatz in der Mikroelektronik die halbleitenden Eigenschaften des Siliziums ausgenutzt.

Halbleitersilizium

Wirbelschichtreaktor Für Anwendungen in der Mikroelektronik wird hochreines, monokristallines Halbleitersilizium (Sieg) benötigt. Insbesondere müssen Verunreinigung mit Elementen, welche auch als Dotierelemente geeignet sind, mithilfe des Tiegelziehens oder Zonenschmelzens unterhalb kritischer Werte gebracht werden. Beim Tiegelziehen (Czochralski-Verfahren) wird das im Siemensverfahren erhaltene Solarsilizium in Quarztiegeln geschmolzen. Ein Impfkristall aus hochreinem, monokristallinen Silizium wird in diese Schmelze gebracht und langsam unter Drehen aus der Schmelze herausgezogen, wobei hochreines Silizium in monokristalliner Form auf dem Kristall wächst und nochmals Verunreinigungen in der Schmelze zurückbleiben. Physikalischer Hintergrund dieses Reinigungsverfahrens ist die Schmelzpunkterniedrigung. Alternativ wird beim Zonenschmelzen mit Hilfe einer (ringförmigen) elektrischen Induktionsheizung eine Schmelzzone durch einen Siliziumstab gefahren, wobei sich ein Großteil der Verunreinigungen in der Schmelze lösen und mitwandern. Hochreines, kristallines Silizium ist das Grundmaterial schlechthin für die Mikroelektronik. Alle gängigen Computer-Chips, Speicher, Transistoren etc. verwenden hochreines Silizium als Ausgangsmaterial. Diese Anwendungen beruhen auf der Tatsache, dass Silizium ein Halbleiter ist. Durch die gezielte Einlagerung von Fremdatomen (Dotierung), wie beispielsweise Arsen, Antimon, Bor oder Phosphor, können die elektrischen Eigenschaften von Silizium in einem weiten Bereich verändert werden. Dadurch lassen sich verschiedenste elektronische Schaltungen realisieren. Wegen der zunehmenden Bedeutung der elektronischen Schaltungen spricht man auch vom Silizium-Zeitalter. Auch die Bezeichnung Silicon Valley ("Silizium-Tal") für die Hightech-Region in Kalifornien weist auf die enorme Wichtigkeit des Siliziums in der Halbleiter- und Computerindustrie hin.

Reaktivität und Verbindungen

In allen in der Natur auftretenden und der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silizium ausschließlich Einfachbindungen aus. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel, wonach Silizium als Element der 3. Periode keine Mehrfachbindungen ausbildet, muss mittlerweile jedoch als überholt angesehen werden, da inzwischen eine Vielzahl synthetisch hergestellter Verbindungen mit Si-Si-Doppelbindungen bekannt sind. Im Jahr 2004 wurde die erste Verbindungen mit einer formalen Si-Si-Dreifachbindungen strukturell charakterisiert. Silizium tritt in chemischen Verbindungen in der Regel vierwertig auf, es sind allerdings auch synthetisch hergestellte Verbindungen des zweiwertigen Siliziums (Silylene) bekannt. Demgemäß ist das Siliziumatom in Verbindungen in der Regel vierfach koordiniert. Daneben existieren aber mittlerweile eine Reihe von Verbindungen in denen Silizium eine fünf- oder sechsfache Koordination aufweist. Silizium stellt in aller Regel den elektropositiven Partner einer chemischen Verbindung dar, obwohl auch Verbindungen mit formal negativiertem Silizium existieren. Besonders erwähnenswert ist die Inversion der Bindungspolarität von Element-Wasserstoff-Bindungen beim Übergang von Kohlenstoff (Elektronegativität (EN=2,55)) zum Silizium (EN=1,9, (Wasserstoff, (EN=2,1)), weshalb Siliziumwasserstoffverbindungen eine gänzlich andere Reaktivität als Kohlenwasserstoffe aufweisen. Kohlenwasserstoffe Daneben bildet Silizium in den Siliciden auch echte Anionen aus. D