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Silicium 12:51 min

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Transkript Silicium

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um das chemische Element Silicium. Der Film gehört zur Reihe “Elemente”. An Vorkenntnissen solltest du die Chemie bis Basen, Säuren, Salze gut beherrschen. Im Video gebe ich dir eine Übersicht über Silicium und seine Verbindungen. Der Film besteht aus elf Abschnitten: Erstens: Entdeckung, Zweitens: Stellung im Periodensystem der Elemente, Drittens: Vorkommen, Viertens: Herstellung, Fünftens: Eigenschaften, Sechstens: Reaktionen, Siebtens: Verbindungen, Achtens: Silicate, Neuntens: Verwendung des Metalls, Zehntens: Verwendung der Verbindungen und Elftens: Zusammenfassung. Erstens: Entdeckung. Bereits 1787 gelang es dem französischen Chemiker Lavoisier, Silicium herzustellen, das Gleiche gelang Humphrey Davy 13 Jahre später. Beide hielten den neu erhaltenen Stoff für eine chemische Verbindung. 1811 stellten Gay-Lussac und Thénard ebenfalls Silicium dar, es war jedoch verunreinigt. Die Herstellung und die Erkenntnis, dass es sich um ein Element handelt, gelang erstmals dem schwedischen Chemiker Berzelius. Er synthetisierte das Element durch die Umsetzung von Siliziumtetrafluorid mit Kalium. Zweitens: Stellung im Periodensystem der Elemente. Im Periodensystem der Elemente steht das Silicium an dieser Stelle. Es gehört zur IV. Hauptgruppe des Periodensystems, das ist die Kohlenstoffgruppe. Silicium ist ein Halbmetall, die Oxidationszahlen in Verbindungen sind -4, seltener +2 und +4. Das chemische Symbol des Siliciums ist Si. Der Name Silicium entstammt dem Lateinischen und ist von den Worten "Kieselerde" und "Kieselstein" abgeleitet.Drittens: Vorkommen. Silicium kommt in der Erdhülle zu mehr als 25% vor, das ist etwa 1/4 der chemischen Elemente. Damit nimmt Silicium nach Sauerstoff den zweiten Platz ein. Silicium bildet die meisten Steine, Minerale und Edelsteine. Viertens: Herstellung. Silicium kann man à la Lavoisier und Berzelius aus Siliciumtetrafluorid und Kalium herstellen. Eine zweite Möglichkeit ist die Reduktion von Siliciumdioxid mit Magnesium. Das Siliciumdioxid kann auch mit Aluminium reduziert werden. Im vierten Beispiel wird ein komplexes Siliciumsalz mit Aluminium umgesetzt, das Aluminium schlüpft in die Rolle der Zentralionen und Silicium wird frei. Ein interessanter Weg der Siliciumherstellung ist die Reaktion von Siliciumtetrachlorid mit Lithiumaluminiumhydrid. Neben den Chloriden von Lithium und Aluminium und der Freisetzung von Wasserstoff bildet sich das Element, man erhält ein sehr reines Produkt. Fünftens: Eigenschaften. Silicium ist ein dunkelgraues Halbmetall. Als Kristall glänzt es. Silicium ist spröde, das heißt, es kann zerbrechen. Mit einer Mohshärte von 6,5 ist es härter als Eisen, jedoch weicher als Wolfram. Mit einer Dichte von 2,3 g/cm³ ist Silicium relativ leicht, es liegt damit zwischen Magnesium und Aluminium. Das Element schmilzt bei 1410°C, es liegt damit zwischen Kupfer und Eisen. Sechstens: Reaktionen. Silicium ist chemisch recht beständig. Für die Oxidation benötigt man hohe Temperaturen. Einzig mit Fluor reagiert es bereits bei Raumtemperatur. Die Reaktion verläuft unter Flammenbildung. Für die Reaktion mit den anderen Halogenen muss man das Reaktionsgemisch erwärmen. Silicium reagiert mit Basen, wobei sich Silicat bildet. Mit Säuren reagiert Silicium im Regelfall nicht, die einzige Ausnahme ist Flusssäure. Siebtens: Verbindungen. Die Silane haben die allgemeine Formel SinH2n+2, damit erinnern sie an die Alkane. Unter geeigneten Reaktionsbedingungen kann man aus Lithiumaluminiumhydrid und Siliciumtetrachlorid das einfachste Silan herstellen. Silane sind flüchtig. Silane verbrennen explosionsartig. Auch die Hydrolyse verläuft glatt. Siliciumhalogenide: das sind Verbindungen des Siliciums mit den Halogenen. Eine Herstellungsmöglichkeit ist die Reaktion von Siliciumdioxid mit Flusssäure. Ein zweiter Weg ist die Reaktion von Siliciumdioxid mit Wasser und Fluorsulfonsäure. Und schließlich kann Siliciumdioxid mit Chlor und Kohlenstoff umgesetzt werden. Siliciumtetrafluorid reagiert explosionsartig mit Wasser, es entstehen Siliciumdioxid und eine komplexe Säure. Siliciumtetrachlorid reagiert mit Formaldehyd auf interessante Art, neben Chlorwasserstoff und Kohlenmonoxid ensteht Monochlorsilan. Siliciumdioxid: Formel SiO2. Reines Siliciumdioxid ist Quarz. Ferner ist es Bestandteil vieler Steine, Minerale, von Sand und Glas. Mit Säuren reagiert Siliciumdioxid in der Regel nicht, Ausnahme ist die Reaktion mit Flusssäure. Siliciumdioxid reagiert auch mit Basen, wie mit Natriumhydroxid, es entsteht hier Natriumsilicat. Achtens: Silicate. Die Silicate sind eine wichtige ausgedehnte Mineralfamilie. Die Zusammensetzung entspricht folgender allgemeinen Formel: Mn[(SixOy)4x-2y]. M bedeutet Metall, n, x und y sind natürliche Zahlen. Inselsilicate: Sie bestehen aus isolierten Gruppen SiO_4, dazu zählen Olivin und Zirkon. Gruppensilicate: Hier tritt die Gruppe Si2O7 auf, ein Beispiel ist Gehlenit. Ringsilicate: Hier bilden Silicium und Sauerstoff Ringe verschiedener Größe, zwei schöne Beispiele sind Aquamarin und Turmalin. Kettensilicate bilden, wie der Name schon sagt, Ketten, Spodumen und Jadeit sind Kettensilicate. Des weiteren gibt es Bandsilicate, Aktinolith ist ein Vertreter. Zu den Schichtsilicaten zählen Glimmer und Serpentin. Und schließlich die dreidimensionalen Gerüstsilicate, Feldspat und Zeolithe gehören dazu. Neuntens: Verwendung des Elements. Beim Namen Silicium denkt man heute in erster Linie an Silicium-Wafer. Silicium ist ein Halbleiter, es hat hervorragende Eigenschaften für die Mikroelektronik. Unser Leben, unsere Mikroelektronik käme zum Erliegen, wenn wir Silicium nicht hätten. Zehntens: Verwendung der Verbindungen. Siliciumdioxid, es ist Quarz und ist im Sand zu großem Teil enthalten. Seit dem Altertum verwendet man es als Baumaterial, die Pyramiden wurden daraus errichtet. Und auch Festungen bestehen daraus. Selbst heute können wir nicht darauf verzichten. Man verwendet Siliciumdioxid auch als Trockenmittel, zum Beispiel beim Versand. Man benutzt es zur Stofftrennung bei der Säulenchromatographie. In gebundener Form ist es Bestandteil von Schmuck und Edelsteinen. Siliciumcarbid: Es ist fast so hart wie Diamant und wird daher zum Schleifen verwendet. Siliciumnitrid: Si3N4. Es ist sehr beständig und wird für Spezialkeramiken verwendet. Und noch einmal die Zeolithe, die speziellen Silicate: Zeolithe haben hervorragende Eigenschaften für die Stofftrennung, man verwendet sie für die Gastrennung, z.B. die Lufttrennung. Und auch für die Erdöltrennung in Aliphaten und Aromaten werden sie verwendet. Elftens: Zusammenfassung. Das chemische Element Silicium ist für die Existenz und den Fortbestand der menschlichen Gesellschaft essentiell. Ich bedanke mich für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.

2 Kommentare
  1. Ich habe die RG so aus der Literatur übernommen. Wenn du eine Alternative gefunden hast, wäre ein Zitat nett.
    Danke
    André

    Von André Otto, vor mehr als 2 Jahren
  2. Minute 3:47 es bildet sich zuerst Silane (SiH4)

    Von Susanne Peschke, vor mehr als 2 Jahren

Silicium Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Silicium kannst du es wiederholen und üben.

  • Nenne die Eigenschaften von Silicium.

    Tipps

    Silizium wird sehr viel in der Halbleitertechnik eingesetzt.

    Lösung

    Silicium gehört zu den Halbmetallen. Es ist ein Feststoff mit einer Schmelztemperatur von 1410°C. Silicium sieht dunkelgrau aus und ist sehr spröde. Mit einer Mohshärte von 6,5 liegt es zwischen Eisen und Wolfram. Silicium ist also härter als Eisen. Außerdem ist Silicium relativ leicht und ist mit einer Dichte von 2,3 $g/cm^3$ leichter als Aluminium.

  • Erstelle die Reaktionsgleichungen zur Herstellung von Silicium.

    Tipps

    Versuche zunächst, die korrekte Silicium-Ausgangsverbindung zu finden. Der Name verrät dir, welche Elemente enthalten sind und auch in welcher Anzahl.

    Was du auf der linken Seite einsetzt, muss auch auf der rechten Seite wieder erscheinen.

    Lösung

    Es gibt verschiedene Möglichkeiten, reines Silicium herzustellen. Zum einen kann man vom Siliciumtetrafluorid ausgehen. Wie dir der Name schon verrät, ist das eine Verbindung, die neben dem Siliciumatom noch 4 (tetra) Fluoratome enthält. Reagiert diese Verbindung nun mit Kalium, bindet das Fluor an das Kalium ($KF$) und reines Silicium entsteht.

    Auch die Reduktion von Siliciumdioxid wird häufig verwendet. Diese Siliciumverbindung kommt häufig in der Natur vor und lässt sich, wie viele Oxide, gut reduzieren. In diesem Fall erfolgt die Reduktion mit Magnesium, wobei Magnesiumoxid entsteht und reines Silicium frei wird.

  • Bestimme die Form der gezeigten Silicate.

    Tipps

    Die $SiO_4$-Tetraeder werden oft auch vereinfacht als geometrischer Tetraeder dargestellt.

    Lösung

    Silicate bestehen aus den Anionen der Kieselsäure. Sie liegen dabei nicht immer nur einfach als ${SiO_4}^{2-}$ vor, sondern oft in größeren Anionen mit mehreren Siliciumzentren. Dabei sind dann mehrere $SiO_4$-Tetraeder über ein gemeinsames Sauerstoffatom verknüpft. Entsprechend ihrer gebildeten Strukturen lassen sich die Silicate wie folgt einteilen:

    • Inselsilicat (einzelner Tetraeder)
    • Gruppensilicat (zwei verknüpfte Tetraeder)
    • Ringsilicat (verschieden große Ringe bilden sich)
    • Kettensilicat (eindimensionale Kette)
    • Schichtsilicat (zweidimensionale Schicht)
    • Gerüstsilicat (dreidimensionale Hohlraumstruktur)

  • Benenne folgende Verbindungen des Siliciums.

    Tipps

    Silicium steht im Periodensystem direkt unter Kohlenstoff. Die Nomenklatur der Verbindungen ist daher ähnlich.

    $CHCl_3$: Trichlormethan

    Lösung

    Siliciumverbindungen sind den analogen Kohlenstoffverbindungen von der Struktur her recht ähnlich und werden daher auch ähnlich benannt. Genau wie Kohlenstoff ist Silicium vierbindig und somit von seinen Substituenten tetraedrisch umgeben.

    Die analogen Verbindungen zu den Alkanen $(C_nH_{2n+2})$ heißen bei den Siliciumverbindungen Silane $(Si_nH_{2n+2})$.

    Werden die Silane halogeniert, bilden sich Halogensilane. Analog zum Trichlormethan $(CHCl_3)$ gibt es also auch ein Trichlorsilan $(SiHCl_3)$. Die griechische Vorsilbe gibt die die Anzahl der Halogenalkane im Molekül an.

    Die analogen Verbindungen zu den Ethern heißen mit Silicium Siloxane.

  • Beschreibe die Stellung von Silicium im Periodensystem der Elemente.

    Tipps

    Silicium steht im Periodensystem genau unter Kohlenstoff.

    Lösung

    Silicium steht im Periodensystem direkt unter dem Element Kohlenstoff in der IV. Hauptgruppe, die auch Kohlenstoffgruppe genannt wird. Der metallische Charakter in der Hauptgruppe nimmt von oben nach unten zu. Während Kohlenstoff ein klares Nichtmetall ist und Blei ganz klar ein Metall, steht Silicium dazwischen und zeigt sowohl metallische als auch nichtmetallische Eigenschaften. Es gehört damit zu den Halbmetallen.

    Die Elemente der IV. Hauptgruppe besitzen alle vier Außenelektronen. Um nun eine stabile Achter-Schale zu erhalten, kann Silicium in Verbindungen diese Elektronen entweder abgeben und erhält damit die Oxidationszahl +4, oder es kann vier zusätzliche Elektronen von Reaktionspartnern aufnehmen, dann erhält es die Oxidationszahl -4.

  • Erkläre, warum Flusssäure das Reagenzglas angreift.

    Tipps

    Glas besteht grundsätzlich aus der gleichen Verbindung wie Sand.

    Lösung

    Glas besteht hauptsächlich aus Siliciumdioxid, also aus Quarz. Diese Verbindung reagiert mit Flusssäure unter Bildung von Siliciumtetrafluorid und Wasser.

    Flusssäure darf daher auch niemals in Glasflaschen aufbewahrt werden, sondern nur in Kunststoffflaschen.