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10 Fakten über Silizium

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Wie gut kennen Sie das Periodensystem? Unsere Serie The Elements erforscht die grundlegenden Bausteine ​​des beobachtbaren Universums – und ihre Bedeutung für Ihr Leben – einen nach dem anderen.

Silizium ist ein Halbmetall: ein Element mit Eigenschaften, die nicht ganz wie ein Metall sind, noch genau wie ein Nichtmetall. Wer ein Handy in der Tasche oder Schmutz an den Schuhen hat, trägt Silikon bei sich. Erfahren Sie mehr über dieses allgegenwärtige Element.

1. ES GEHT NUR ÜBER ÜBERALL.

Es ist das siebthäufigste Element im Universum und noch häufiger in der Erdkruste, nach Sauerstoff als dem gewichtsmäßig häufigsten Element. Auch die Schicht unter der Kruste – der Mantel – ist reich an Silizium. Mit einer Ordnungszahl von 14 steht es im Periodensystem direkt unter Kohlenstoff.

2. SILIKON IST NICHT DAS GLEICHE WIE SILIKON.

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Das WortSilikondenken vielleicht an Brustimplantate, aber es ist eigentlich ein Sammelbegriff für eine Gruppe synthetischer Substanzen, die abwechselnd aus Silizium- und Sauerstoffatomen bestehen, an die Seiten Kohlenstoff- und Wasserstoffmoleküle gebunden sind. Durch das Vermischen dieser Seitengruppen von Molekülen und das Herstellen von Kettengliedern können Chemiker Silikone mit den unterschiedlichsten Eigenschaften herstellen. Ja, Sie finden Silikone in Brustimplantaten, aber auch in Autopolitur, der Isolierung von Stromkabeln und sogar in Ihrer Haarspülung, wo sie helfen, Kräuselungen zu beruhigen. Wir können Silikonen auch für Silly Putty danken, das während des Zweiten Weltkriegs erfunden wurde, als Wissenschaftler versuchten, eine Alternative zu Gummi zu schaffen – und stattdessen ein neues nationales Lieblingsspielzeug entwickelten.

3. WIR VERWENDEN SILIZIUM SEIT TAUSENDEN JAHREN, OHNE SEINE ELEMENTALE NATUR ZU WISSEN.

Kieselsäure ist der Hauptbestandteil von Glas, das der Mensch spätestens seit der Ägypter im Jahr 2500 v. Chr. aus dem Material Perlen herstellte. In China verwendeten die Qin- und Han-Dynastie violette und blaue Pigmente aus Barium-Kupfer-Silikaten für verschiedene Dekorationen, darunter Teile der berühmten Terrakotta-Armee.



Es dauerte viele Jahrhunderte, bis die Menschen erkannten, dass die Substanz weiter in zwei verschiedene Elemente getrennt werden kann – Sauerstoff und Silizium. In den späten 1700er Jahren bemerkte der französische Chemiker Antoine Lavoisier, dass sich bestimmte Materialien, die als „Erdstoffe“ klassifiziert wurden (die trocken und kalt waren), manchmal wie Metalle verhalten (unter anderem hart, dicht und widerstandsfähig gegen Dehnung). Kieselsäure war einer von ihnen. Vielleicht, überlegte Lavoisier, waren einige der Erden in Wirklichkeit Sauerstoffmoleküle und ein noch unentdecktes, metallähnliches Element.

Damals wussten Chemiker nicht, wie man die Sauerstoffatome, die mit den Siliziumatomen starke Bindungen eingehen, entfernen. Das änderte sich in den 1820er Jahren, als es einem schwedischen Chemiker namens Jons Berzelius endlich gelang, in seinem Labor Silizium zu gewinnen, indem er es aus einer siliziumhaltigen Verbindung reinigte. (Welches und wie er es tat, ist nicht klar.) Berzelius' Durchbruch kam zu spät für den 1794 verstorbenen Lavoisier, um seine Spekulationen als wahr zu sehen.

4. SILIKA IST DIE GÄNGIGSTE FORM VON SILIZIUM.

Dieses auch als Siliziumdioxid bekannte Molekül besteht aus einem Siliziumatom und zwei Sauerstoffatomen (SiO2). Das meiste von dem, was wir Silizium nennen, ist eigentlich Silizium, das sowohl in Mineralien als auch in Pflanzen vorkommt. Viele Pflanzen erzeugen einzigartige mikroskopische Strukturen, die Phytolithen genannt werden, indem sie Kieselsäure verwenden, die sie aus dem Boden aufnehmen. Wissenschaftler sind sich nicht sicher, warum: Sie könnten Schutz vor mikroskopischen Schäden bieten oder strukturelle Unterstützung bieten, oder vielleicht sind sie nur eine Möglichkeit für eine Pflanze, zusätzliches Siliziumdioxid zu verbrauchen.

Phytolithen bleiben noch lange nach dem Verfall einer Pflanze erhalten, was die tiefe Geschichte eines Gebiets erhellen kann – sei es zum Beispiel ein Wald oder Grasland oder die Nutzung der Landschaft durch den Menschen. Dan Cabanes, Phytolith-Experte und Anthropologe an der Rutgers University, hat Phytolithen verwendet, um zu verstehen, wie Neandertaler in einer Höhle in Nordspanien ein Zuhause fanden und einen Schlafbereich mit Grasbetten schufen, die sie wiederholt verwendeten. Und weil Phytolithen das Verbrennen überleben, „können wir untersuchen, wie sie Feuer machten oder welche Art von Nahrung sie konsumierten“, sagt Cabanes gegenüber Trini Radio.

Das Bild ist jedoch nicht immer perfekt, denn manchmal bilden zwei verschiedene Pflanzen Phytolithen derselben Form – und manche Pflanzen machen sie überhaupt nicht.

5. ES IST EIN SCHLÜSSELBESTANDTEIL EINIGER SCHÖNER STEINE …

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Wunderschöne Edelsteine ​​wie Amethyst, Onyx und Achat bestehen alle aus Silizium. In jedem Gestein sind die Kieselsäuremoleküle in sich wiederholenden 3D-Geometrien angeordnet, die als Kristallstrukturen bezeichnet werden. Unterschiedliche Anordnungen sowie kleine Verunreinigungen im Gestein verleihen jedem Edelstein sein einzigartiges Aussehen.

6. … UND DIE SCHÖNHEIT VON DIATOMIEN.

Anatoly Mikhaltsov, Wikimedia Commons // CC BY-SA 4.0

Kieselerde bildet auch die Zellwände von Kieselalgen, einer weltweit verbreiteten Algenart. Kieselalgen, die eine faszinierende Vielfalt an Formen haben, können sowohl in Süß- als auch in Salzwasser leben. Wenn sie sterben, können sich ihre Zellwände zu kalkhaltigen Ablagerungen von „Kieselgur“ ansammeln, die wir für alles Mögliche verwenden, von Katzenstreu bis Zahnpasta.

7. SILIZIUM IST SEHR NÜTZLICH IN DER TECHNIK …

Silizium kann als Halbleiter fungieren – ein Material, das Strom weder perfekt leitet noch dagegen isoliert, sondern irgendwo dazwischen liegt. Diese Eigenschaft ist in vielen Bereichen der Elektronik wichtig, in denen Sie eine gewisse Kontrolle über den Stromfluss haben möchten. „Das Schöne an Halbleitern ist, dass man ihre Leitfähigkeit durch Hinzufügen von Verunreinigungen einstellen kann“, sagt Eric Pop, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University, gegenüber Trini Radio. Reines Silizium ist ein Isolator, aber wenn Sie es mit winzigen Mengen bestimmter anderer Elemente wie Phosphor oder Arsen „dotieren“, wird es besser, Elektrizität zu leiten.

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Andere Materialien, darunter Germanium oder Galliumarsenid, sind bessere Halbleiter als Silizium, aber Silizium ist die beliebteste Wahl unter Elektronikherstellern (deren Konzentration südlich von San Francisco in den 1970er Jahren den Namen 'Silicon Valley' inspirierte). Es ist billig, es ist überall und weil es so gerne oxidiert, kann es an der Luft bequem eine eigene Isolierschicht bilden.

8. … ABER FORSCHER WOLLEN BESSERE MÖGLICHKEITEN FINDEN.

Ingenieure wie Pop suchen nach Materialien, um Silizium in unserer Elektronik zu ersetzen, um mit der Nachfrage nach schnelleren Computern Schritt zu halten. „Silizium ist so etwas wie der Honda Civic unter den Halbleitern“, sagt Pop. 'Es erledigt die Arbeit, aber es ist nicht sehr schnell.' Pop ist jedoch der Meinung, dass Silizium dank seiner geringen Kosten selbst im Vergleich zu überlegenen Materialien nicht vollständig verschwinden wird.

9. SILIZIUM HALTET VIELE UNSERER GEBÄUDE.

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Viele gängige Baustoffe basieren auf silikonhaltigen Stoffen. Für die Herstellung von Ziegeln werden siliziumhaltige Tonminerale sowie Portlandzement verwendet, der dann als Bindemittel im Beton verwendet wird.

10. AMERIKANER LASSEN EIN BISSCHEN SILIKON AUF DEM MOND.

Als Buzz Aldrin und Neil Armstrong 1969 als erste Menschen den Mond betraten, hinterließen sie neben ihren Fußabdrücken noch einige Dinge auf seiner Oberfläche. Eine war eine kleine Siliziumscheibe, auf der Nachrichten von den Führern von 73 Ländern von Afghanistan bis Sambia beschriftet waren. Die Disc ist in einem schützenden Aluminiumgehäuse untergebracht und wird zusammen mit einigen anderen Gegenständen in einer kleinen Tasche verstaut. Silizium wurde zum offiziellen Botschaftsträger gewählt, weil es den enormen Temperaturunterschieden auf dem Mond standhalten konnte. Fast hätte es die Scheibe aber nicht geschafft: Aldrin hatte die Tasche ganz vergessen, steckte in einer Tasche seines Raumanzugärmels, und er war bereits auf der Leiter zum Raumschiff, als Armstrong ihn daran erinnerte. Aldrin warf den Beutel auf den Mond.