Silicium: Het element

Silicium is een donkergrijs broze metalloïde.Het is meestal vierwaardig maar kan ook tweewaardig zijn. Silicium dioxide(SiO2) is de meest voorkomende siliciumverbinding en als zand de meest voorkomende verbinding in de aardkorst. Het kan ook de vorm aannemen van o.a. kwarts, rotskristal, agaat, flint en opaal. In 1824 maakte Jöns J Berzelius als eerste zuiver silicium ( latijn Silex, "vuursteen"). Silicon Valley in Californië is genoemd naar silicium. Silicium en zijn verbindingen worden op veel uiteenlopende terreinen toegepast, van spoorelement tot hoofdbestanddeel.

Plaats van Silicium in het periodiek systeem

Eigenschappen element silicium

Algemeen

Chemische eigenschappen

Fysische eigenschappen

Het voorkomen van silicium

De aardkorst bestaat voor een kwart uit silicium in zijn verbindingen. Als ongebonden element is silicium niet in de natuur aanwezig. De meest voorkomende verbindingen is siliciumdioxide (SiO2) als kwarts, opaal en vuursteen en in verbindingen (silicaten) als asbest, klei en mica.Natuurlijk silicium bevat 92% isotoop 28; 4,7% van isotoop 29 en 3,1% isotoop 30. Elementair silicium heeft de fysische eigenschappen van metalloiden, vertoont het gedrag van metalen. Silicium is een halfgeleider.

De winning van silicium

Silicium wordt gewonnen door verhitting van siliciumdioxide bij aanwezigheid van koolstof. Koolstof reduceert de siliciumdioxide tot silicium volgens:

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Het silicium in drie trappen zuiveren.

• Het silicium wordt met koolstof verhit tot 3000 °C. Door de overmaat aan koolstof vormt zich CO en blijft er zuiverder silicium over.
• Het gezuiverde silicium wordt omgezet in trichloorsilaan (SiHCl3) en gemengd met zoutzuur (HCl). Door destillatie worden verontreinigingen afgescheiden. Het trichlorosilaan wordt verhit tot verdamping en bij een goede temperatuurkeuze ontstaat zuiver silicium.
• Een staaf silicium wordt in een klein gebied van de staaf boven het smeltpunt verhit. De verontreinigingen die beter in de vloeibare fase oplossen dan in de vaste fase, verzamelen zich in de vloeibare zone die verwijderd wordt en gerecycled. Resultaat is 99,99% zuiver silicium.

Gebruikseigenschappen van silicium

• Vanwege metaalachtige karakter van silicium vormt het tetrapositieve ionen en verschillende covalente verbindingen..
• Silicium vormt verscheidene hydriden, haliden (veel hiervan bevatten silicium-silicium verbindingen) en verbindingen met zuurstof, die ionische of covalente eigenschappen hebben.
• Silicium heeft veel verschillende dioxide vormen en ontelbare variaties natuurlijke silicaten. Silicium gaat verbindingen aan met bijna alle stabiele elementen op aarde. Behalve de metallische siliciden die worden gebruikt in de metaal industrie, vormt het verbindingen met koolstof, waterstof, stikstof, halogenen, zwavel en zuurstof.

Toepassingen van silicium

• Siliciumdioxide wordt in de vorm van zand of klei gebruikt voor de productie van bouwmaterialen.
• Siliciumdioxide is de grondstof voor veel keramische materialen.
• SiO2 is grondstof van glas. Glas ontstaat door verhitting van zand en natriumcarbonaat. Andere oxiden als ijzer(II)oxide, aluminiumoxide, lood(II)oxide en zinkoxide) kunnen toegevoegd worden voor speciale eigenschappen.
• De componenten van een chip worden gefabriceerd op schijfjes silicium.
• In zeer zuivere vorm wordt silicium samen met arseen, boor, gallium en fosfor gebruikt voor halfgeleiders.
• Siliciumdioxide in "allotrope = polymorfe = meervormige" toestand is geschikt voor vervaardiging van zonnepanelen. Photovoltaïsche cellen (PV-cel) voor directe omzetting van zonne-energie in electriciteit, bevatten silicium kristallen. De PV-cel is de meest toegepaste zonnecel.
• Silicium wordt gebruikt voor vervaardiging van fotocellen.
• Silicium wordt gebruikt voor de productie van lasers.
• De zeer harde silicium cabide SiC (carborundum) wordt toegepast als schuurmiddel, voor slijpen en polijsten, en verwerkt in slijpstenen, polijst- en slijppoeders en als bekleding van schuurpapier.
• Natriumsilicaat (Na2SiO3), (waterglas) wordt gebruikt in de zeepindustrie.
• Siliciumdioxide zit in voeding (granen) als antiklontermiddel en als ontschuimingsmiddel.
• Silicium is een ingrediënt van siliconen, in materiaal gebruikt voor smeerolie, in schoonmaakmiddelen, in isolatiemateriaal en medische implantaten.
• Silicium en zijn verbindingen worden veelvuldig toegevoegd aan metaallegeringen voor optimale eigenschappen. Het komt rijkelijk voor in ijzererts. Het is in ieder staal aanwezig. In het algemeen desoxideert silicium het staal, verhoogt treksterkte en rekgrens, hardheid en slijtvastheid maar verlaagd taaiheid, vervormbaarheid en lasbaarheid. In hittevaste stalen verbetert silicium de weerstand tegen oxidatie, maar heeft een nadelige invloed op de warm- en koudvervormbaarheid.
• Zuiver silicium wordt gebruikt als grondstof voor de fabricage van silicium harsen, oliën en afdichters.
• Siliciumdioxide is de grondstof voor de productie van elementaire silicium en siliciumcarbiden.

Milieu en volksgezondheid

• Silicium als element is een inert materiaal en heeft bij mensen weinig effect op de longen en lijkt geen belangrijke orgaanziekten of toxische effecten te veroorzaken, wanneer het contact onder een normaal niveau blijft.
• Gekristalliseerd silicium (siliciumdioxide) vormt gezondheids risico bij inademing. Maar bij de meeste productieprocessen wordt de concentratie in de lucht laag gehouden. Longkanker kan worden veroorzaakt door beroepsmatig contact met kwarts en cristobaliet. Gekristalliseerd silicium kan bij langdurig contact leiden tot irritaie van ogen, huid en slijmvliezen maar ook tot o.a schimmelinfecties en door inademing kan zich tot longemphyseem en bronchitis ontwikkelen.
• veroorzaken.