Silicium er grundstof nr. 14 i det periodiske system. Dets symbol er Si.

Silicium ligner et metal, men det kan ikke alt det, som et metal kan, f.eks. at det er meget let at lede elektricitet. Det er en metalloid. Silicium anvendes i stor udstrækning i nutidens computere og i stort set alle elektroniske apparater. Germanium kan også bruges i computere, men silicium er lettere at finde.

Der er meget silicium på jorden. På stranden findes der silicium i form af sand. Sand er en siliciumforbindelse, der kaldes siliciumdioxid eller silica. Glas fremstilles ved at opvarme sand (eller siliciumdioxid) tilstrækkeligt varmt. Glasset kan få forskellige farver ved at tilsætte farvede forbindelser. Silicium indgår også i en masse forskellige sten og mineraler, og de kaldes silikater.

Egenskaber

Fysiske egenskaber: Rent silicium er et gråligt, skinnende fast stof med en krystallinsk struktur (diamantgitter). Densiteten er cirka 2,33 g/cm³. Smeltepunktet ligger ved cirka 1414 °C og kogepunktet ved cirka 3265 °C. Der findes både krystallinsk (mono- og polykrystallinsk) og amorft silicium, som har forskellige optiske og elektriske egenskaber.

Kemiske egenskaber: Silicium har elektronkonfigurationen [Ne] 3s2 3p2 og optræder typisk i oxidationstilstand +4 (f.eks. SiO2) og nogle gange +2. Det reagerer ikke så let som kulstof med dobbeltbindinger, og derfor danner silicium oftest stærke Si–O-netværk (silika og silikater) frem for organiske π-systemer. Silicium har tre stabile isotoper: 28Si, 29Si og 30Si.

Forekomst

Silicium er det næstmest udbredte element i Jordens skorpe efter oxygen og udgør omkring 27–28 % af skorpen målt på vægt. Det findes ikke frit i naturen, men findes bundet i sand, silikater og mange mineraler. Store forekomster findes i granit, kvarts og lerarter.

Fremstilling og rensning

  • Det meste silicium udvindes ved reduktion af kvarts (SiO2) med kulstof i elektrisk ovn for at producere metallurgisk silicium (typisk 98–99 % rent).
  • Til elektronik- og solcelleindustrien kræves højere renhed (»polykrystallinsk« eller »monokrystallinsk« silicium). Metallurgisk silicium omdannes ofte til trichlorsilan (HSiCl3), som derefter renses og deponeres som polysilicium i Siemens-processen eller ved flydende fasedeponering. Endelig bruges zone-smeltning til at opnå meget højrent monokrystallinsk silicium til wafers.
  • Doping med sporstoffer som bor (p-type) eller fosfor (n-type) giver de elektriske egenskaber, der er nødvendige for transistorer og integrerede kredsløb.

Anvendelser

Elektronik og halvledere: Den mest kendte anvendelse er som halvleder i mikrochips og integrerede kredsløb. Siliciums elektriske egenskaber kan styres præcist ved doping, hvilket gør det uundværligt i computere, smartphones og mange andre elektroniske enheder.

Solceller: Silicium er dominerende i dagens solcelleproduktion (krystallinske siliciumpaneler), hvor det omdanner sollys til elektricitet.

Byggematerialer og glas: Sand (SiO2) er en hovedbestanddel i glas, keramik, beton og mange typer af støbematerialer. Silikater udgør grundlaget for mange bjergarter og byggematerialer.

Silikoner og organiske silicerede materialer: Silicium indgår i silicones (polymerer med Si–O ryggrad), som bruges i tætningsmidler, smøremidler, medicinsk udstyr, kosmetik og højtliggende temperaturbestandige materialer.

Metallurgi: Silicium bruges som legeringselement i aluminium og stål for at forbedre styrke og bearbejdelighed.

Andre anvendelser: optiske fibre (glas baseret på SiO2), keramiske materialer, katalysatorunderlag og forskellige kemiske forbindelser til industrien.

Sikkerhed og miljø

Metallisk silicium i fast form er ikke stærkt giftigt, men fint støv og respirabel krystallinsk silica (respirable crystalline silica) udgjør en alvorlig sundhedsrisiko ved indånding og kan forårsage silikose og øge risikoen for lungekræft. Arbejde med støvende silikamaterialer kræver derfor støvkontrol og åndedrætsværn.

Fremstilling af højrent silicium er energikrævende, og produktionen har et klimaaftryk. Genanvendelse af silicium fra elektronik og solceller er et voksende felt for at reducere miljøpåvirkning og spare ressourcer.

Kort historik og relation til andre grundstoffer

Silicium blev identificeret og navngivet i begyndelsen af 1800-tallet; det hører til kulstofgruppen (gruppe 14) sammen med kulstof, germanium, tin og bly. Hvor kulstof danner mange organiske forbindelser med stærke dobbelt- og tripelbindinger, danner silicium helst netværk af enkeltbindinger til oxygen (silika) og lange kæder i silicones.

Vigtige punkter

  • Atomnummer: 14
  • Symbol: Si
  • Almindelig oxidationstilstand: +4
  • Vigtigste anvendelser: halvledere, solceller, glas, byggematerialer, silicones og legeringer
  • Forekomst: Meget udbredt i Jordens skorpe; findes hovedsageligt som silikater og SiO2 (sand)

Silicium forbinder geologi, elektronik og moderne materialeteknologi og er derfor et af de mest centrale grundstoffer i både naturen og industrien i dag.