|  | ||||||
28,2 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit silicium; het is het tweede element in rangorde van voorkomen.
Men treft het aan in zeer veel mineralen, onder andere in:
Ook zand bestaat voor het merendeel uit SiO2.
agaat SiO2 albiet NaAlSi3O8 amethist SiO2 beryl Be3Al2Si6O18 biotiet K(Mg,Fe+2)3(Al,Fe+3)Si3O10(OH,F)2 hemimorfiet Zn4Si2O7(OH)2.H2O jadeïet Na(Al,Fe+3)Si2O6 jaspis SiO2 kwarts SiO2 mica {Na,K,Ca,Mg}{Al,Mg,Fe,Li}2-3{Si,Al}4O10{OH,F}2 onyx SiO2 opaal SiO2.nH2O orthoklaas KAlSi3O8 petaliet LiAlSi4O10 serpentijn (Mg,Fe+2,Ni)3Si2O5(OH)4 sodaliet Na8Al6Si6O24Cl2 talk of speksteen Mg3Si4O10(OH)2 topaas Al2SiO4(F,OH)2 zeoliet (geen vaste formule) verhouding (Al+Si):O = 1 : 2
Siliciumdioxide kan vrijwel overal worden gewonnen, bijvoorbeeld als kwartszand. Belangrijke (zeer grote) wingebieden liggen in de Verenigde Staten van Amerika (Californië), Turkije en Rusland.
Het meest bekende wingebied is genoemd naar dit element: Silicon Valley in Californië.
De naam is afgeleid van het Latijnse silex, wat kiezel, harde steen, keisteen of vuursteen betekent. De naam is gegeven vanwege het feit dat vuursteen voornamelijk uit siliciumdioxide (SiO2) bestaat. J. J. Berzelius gaf, vanwege de herkomst, aanvankelijk de naam kiezel.
Silicium was als kiezel (siliciumdioxide) reeds in de Oudheid bekend. Het werd door de alchemisten als element beschouwd (zoals bij meer elementen de ontdekking van het oxide of aarde voldoende was - denk ook aan de zeldzame aarden). Sir H. Davy veronderstelde (omstreeks 1800) als eerste dat kiezel een verbinding is.
Silicium werd in 1823 voor het eerst door J.J. Berzelius bereid door reductie van kaliumsiliciumfluoride (K2SiF6) met gesmolten kalium. In 1854 werd kristallijn silicium verkregen door H. E. Sainte-Claire Deville .
Silicium wordt gemaakt uit kwartszand (siliciumdioxide), dat in een elektrische oven met koolstofelektroden wordt verhit tot ongeveer 1700 °C:
SiO2 + 2 C → Si + 2 CO
Siliciumdioxide wordt hierbij steeds in overmaat gehouden om de vorming van siliciumcarbide tegen te gaan. Eventueel gevormd siliciumcarbide wordt dan direct weer omgezet in silicium:
SiO2 + 2 SiC → 3 Si + 2 CO
Bij dit proces ontstaat silicium dat voor ongeveer 96 - 99 % zuiver is. Voor toepassingen in elektronische apparatuur (zoals in diodes en transistors) is echter een veel grotere zuiverheid vereist. Er mag daarbij maar één vreemd atoom voorkomen op 1010 siliciumatomen.
Om dit te bereiken wordt het verkregen silicium opgelost in zoutzuur. Daarbij treden de volgende reacties op:
Si + 3 HCl → SiHCl3 + H2 (voor 90 %)
en Si + 4 HCl → SiCl4 + 2 H2 (voor 10 %)
De verkregen verbindingen worden door herhaald destilleren gezuiverd. Het verkregen SiHCl3 wordt gereduceerd met zeer zuiver waterstofgas:
4 SiHCl3 + 2 H2 → 3 Si + 8 HCl + SiCl4
Het verkregen silicium is bij de heersende omstandigheden vloeibaar. Uit de vloeibare massa wordt een staafvormig éénkristal getrokken (tot ca. 20 cm doorsnede), dat via zonesmelten nogmaals wordt gezuiverd.
Door ontleding van siliciumjodide, via het Van Arkel-de Boer-proces zie 22 - Titaan) wordt zeer zuiver silicium verkregen.
De wereldproductie bedraagt enkele miljoenen tonnen per jaar.
Chip, zonnecel
Silicium heeft, in kristallijne vorm, dezelfde tetraëdrische structuur als diamant. In het kristal rooster kunnen siliciumatomen worden vervangen door, bijvoorbeeld, fosfor- of booratomen. In het eerste geval ontstaat een elektronenoverschot (fosfor heeft één valentie elektron meer dan silicium), in het tweede geval een elektronentekort, een zogenoemd gat. Men spreekt van respectievelijk n-silicium en p-silicium. In beide gevallen worden de elektrische eigenschappen van het materiaal drastisch gewijzigd.
Als n- en p-silicium geleidend worden verbonden, blijkt dat de elektronen veel gemakkelijker van n naar p stromen, dan andersom. Van deze eigenschap wordt gebruik gemaakt bij de productie van allerlei onderdelen voor elektronische apparatuur zoals diodes (o.a. voor gelijkrichten) en transistors (o.a. voor versterking).
Om een chip te maken is het noodzakelijk een zeer groot aantal van dergelijke onderdelen op een uiterst klein stukje silicium aan te brengen. Hiertoe wordt een uitermate zuiver siliciumkristal in uiterst dunne plakjes gezaagd. Op deze plakjes worden met behulp van fysische en chemische technieken superkleine onderdelen aangebracht, waardoor een compleet 'apparaat' op microniveau ontstaat.
In een zonnecel worden door het zonlicht elektronen of gaten vrijgemaakt in het n- en p-silicium. De lagen n- en p-silicium zijn van elkaar gescheiden door de zogenoemde depletielaag . Onder invloed van het interne elektrische veld dat ontstaat doordat de n- en p-laag op elkaar zijn aangebracht, worden de elektronen en gaten gescheiden opgevangen. Daardoor ontstaat een spanningsverschil tussen de elektroden. Het rendement van zonnecellen is de laatste jaren aanzienlijk verbeterd. Voor kristallijn silicium bedraagt het ca. 24 %, voor amorf silicium ca. 14 %. Amorf silicium is echter veel goedkoper en door opdampen gemakkelijk aan te brengen op films, transparante daken van auto's, enz., waardoor veel toepassingen economisch haalbaar zijn.
In plaats van zuiver silicium worden ook verbindingen met vergelijkbare roosters als halfgeleider toegepast, bijvoorbeeld SiGe.
Gereedschap
Siliciumcarbide (SiC; merknaam Carborundum®) is een zeer hard materiaal, met een kristalstructuur die gelijk is aan die van diamant. Het wordt gemaakt uit siliciumdioxide (kwartszand) en koolstof, in een elektrische oven:
SiO2 + 3 C → 2000 °C → SiC + 2 CO
Het wordt gebruikt als grondstof voor keramische producten, bijvoorbeeld voor gereedschappen en machineonderdelen, die moeten functioneren bij zeer hoge temperatuur.
Zeer fijn verdeeld siliciumcarbide wordt gebruikt als schuur-, slijp- en polijstmiddel en als verhardingsmiddel. Het wordt bijvoorbeeld toegevoegd aan cement voor de slijtlaag op vloeren.
Siliciumnitride (Si3N4) wordt toegepast in keramische producten. Niet alleen in gereedschap maar bijvoorbeeld ook in draadgeleiders, onderdelen voor turbines en automotoren, afsluitingen van kogellagers en afdichtingen die duurzaam en zeer slijtvast moeten zijn en onder extreem hoge belastingen moeten functioneren.
Zand/glas
Glas wordt - al vele eeuwen lang - gemaakt door zand (SiO2) te smelten met calciumcarbonaat (CaCO3) en natriumcarbonaat (soda, Na2CO3). Deze stoffen ontleden bij het smelten, waardoor uiteindelijk een mengsel van oxiden ontstaat. De hechte structuur van de tetraëders in siliciumdioxide wordt verbroken, doordat de metaaloxiden in het rooster worden opgenomen. Bij afkoelen ontstaat geen kristallijne stof meer, maar een amorfe stof (onderkoelde vloeistof) met een bijzonder hoge viscositeit. Het verkregen materiaal, glas, is hard en transparant.
Door toevoegen van andere oxiden kan glas met een speciale eigenschap of kleur worden verkregen. Zo ontstaat bij toevoegen van loodoxide kristalglas, bij toevoegen van 10 - 20 % booroxide hittebestendig glas (zoals bijvoorbeeld Pyrex®) en bij toevoegen van Fe3+-verbindingen groen gekleurd glas. De groenige glans van (dik) vensterglas wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van sporen ijzerverbindingen.
Voor het maken optische glasvezelkabels, waarin lichtpulsen zich vele kilometers kunnen voortplanten, is zeer zuiver kwartsglas nodig. Dit glas wordt gemaakt door zeer zuiver siliciumchloride (SiCl4) te laten reageren met zeer zuivere zuurstof. Het gevormde kwarts zet zich af op de wand van het reactievat (een kwartsbuis). Door toevoegen van wat germaniumchloride (GeCl4) kan de brekingsindex van het glas naar behoefte worden verhoogd.
Kwarts
Kwarts is één van de meest voorkomende stoffen op aarde. Men treft het aan in alledaagse stoffen als zand en klei en in diverse soorten mineralen, die - afhankelijk van de bouw en de aanwezigheid van sporen van metalen - prachtige kristalvormen in schitterende kleuren opleveren en daardoor veelvuldig worden toegepast in sieraden.
Cement/beton
Cement is één van de belangrijkste stoffen in de bouwwereld. Het wordt onder meer gebruikt als 'lijmmiddel' bij het metselen van (bak)stenen en bij het aanmaken van beton.
Cement wordt gemaakt uit mergel (voornamelijk krijt, CaCO3) en klei- of leemachtig materiaal (dat verbindingen van silicium en aluminium met zuurstof bevat). Ook wordt er ijzeroxide-houdend materiaal aan toegevoegd. Na mengen, malen en drogen, wordt het zeer sterk verhit, waarbij voornamelijk calciumsilicaat (CaSiO3) en calciumaluminaat {Ca3(AlO3)2} worden gevormd. Aan sommige soorten cement wordt wat gips (CaSO4) toegevoegd.
Om de cement te laten harden, moet water worden toegevoegd. Hierdoor worden hydraten gevormd. Bij het verwerken van cement wordt meestal een vulstof gebruikt, bijvoorbeeld zand (voor metselspecie) of zand en grind (voor beton). Omdat beton zelf niet zo sterk is (het heeft zeer lage treksterkte), dient bij het verwerken in bouwconstructies een bewapening van betonstaal te worden toegepast.
De hoeveelheid cement in specie of beton kan variëren. Voor specie wordt cement en zand gebruikt in een verhouding van ongeveer 1 : 4, voor toepassingen binnen wordt nog wat kalk toegevoegd om de verwerkingseigenschappen te verbeteren. Beton wordt gemaakt uit cement, zand en grind in een verhouding van ongeveer 1 : 2 : 3.
Siliconenkit
Voor de bereiding van siliconenkit is dichloordimethylsilaan {(CH3)2SiCl2} nodig. Dit wordt gemaakt door silicium te laten reageren met chlooralkanen, waarbij koper(I)oxide wordt gebruikt als katalysator. Hierbij ontstaan ook andere chloorsilaanverbindingen. Door het toevoegen van kleine hoeveelheden van andere metaaloxiden (bijv. van calcium, magnesium, aluminium of zink) kan de opbrengst aan dichloordimethylsilaan worden verhoogd. Deze stof is nodig voor een goede polymerisatiereactie, waarbij zoveel mogelijk lange onvertakte ketens moeten worden gevormd. De diverse chloormethylsilanen worden door destillatie gescheiden en gezuiverd.
Vervolgens wordt gepolymeriseerd:
n (CH3)2SiCl2 + 2 n H2O → n (CH3)2Si(OH)2 + 2 n HCl
n (CH3)2Si(OH)2 → [(CH3)2SiO]n + n H2O
De gevormde stof noemt men siliconenolie (vloeibaar) of siliconenvet. De gevormde ketens bevatten ongeveer 1000 - 2500 siliciumatomen en kunnen onderling worden gekoppeld (vernetten). Hierbij ontstaat een structuur met een driedimensionaal netwerk. De mogelijkheid tot vernetting ontstaat door het aanbrengen van een aantal andere groepen in de keten, bijvoorbeeld acetaat-, amine- of oximgroepen. In dit geval spreken we van een één-componentsysteem. Er zijn ook systemen waarbij de toe te passen kit net voor gebruik wordt gemengd met een reagens (bijv. RSi(CH3COO)3) dat de ketens onderling verbindt; we spreken dan van een twee-componentensysteem.
Bij één-componentskitten vindt de reactie plaats met waterdamp uit de lucht:
CH3 CH3 CH3 CH3
| | | |
Si - Si - Si - Si
| | | |
CH3 OOCCH3 CH3 CH3
H
|
+ O
|
H
CH3 OOCCH3 CH3 CH3
| | | |
Si - Si - Si - Si
| | | |
CH3 CH3 CH3 CH3
→
CH3 CH3 CH3 CH3
| | | |
Si - Si - Si - Si
| | | |
CH3 | CH3 CH3
|
O
CH3 | CH3 CH3
| | | |
Si - Si - Si - Si
| | | |
CH3 CH3 CH3 CH3
+ 2 CH3COOH
(bij het uitharden van siliconenolie of -vet ruikt het - meestal - naar azijnzuur). In uitgeharde toestand wordt het wel siliconenrubber genoemd.
Siliconenolie wordt gebruikt in de olie-industrie, bij de verfproductie, in de levensmiddelen- en wasmiddelenindustrie en in de farmaceutische industrie.
Producten waarin siliconenolie is verwerkt, worden veelal aangeduid met ‘siliconenkit’. Siliconenkit met één component wordt toegepast in de bouw (afdichten van kieren, lijmen van glas, waterafstotend maken van muren, enz.), de machinebouw en het impregneren van textiel.
Siliconenkit met twee componenten wordt onder andere toegepast in de elektronische industrie, in de bouw en in de tandtechniek ("happen": in korte tijd is de siliconenmassa uitgehard en is de afdruk van het gebit gereed).
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element):
isolator
metallurgie (ferro- en calciumsilicium)
sensoren voor de airbag en het ABS-remsysteem
spiegels in optische apparatuur (via opdampen van een laagje Si)
velgen (Al met 7 - 10 % Si)
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
aardewerk SiO2 antigraffiti producten siliconen antiklonteringsmiddel in koffiepoeder en zout SiO2 antischuimmiddel siliconen betonversterker SiF4 coating voor papier SiO2 conserveringsmiddel voor o.a. hout H2SiF6 cosmetica siliconen talk diëlektricum siliconen(olie) droogmiddel SiO2 K2SiF6 fluoridering van water H2SiF6 gel SiO2 geneeskunde: anti-flatulentiemiddel (tegen overmatige gasvorming) dimethicon (1) en simethicon catheter/hartklepdichting/implantaten/prothese siliconen (van elastomeren) grondstof zalf siliconen glas MgSiO3 glitter of "zilvereffect" mica haarlak of -gel siliconen halfgeleiders, LEDs(blauw) SiC infraroodstralers SiC isolatie
mica keramiek
MgSiO3 kunstmatige nevel
SiCl4 kunstmest
K2SiO3 kwartsklok
SiO2 manometervulling siliconen melkglas K2SiF6 metaalpoetsmiddel siliconen oppervlakteveredeling (reflexvermindering) van optisch glas
H2SiF6 opdampen laagje Si op spiegel/optische apparatuur/sieraden
SiO2 ovenvensters
mica SiO2 porselein SiO2 rolweerstandsverlaging van autobanden silanen smeermiddel siliconen snijgereedschap SiAlCN sterilisatie in brouwerij H2SiF6 toiletartikelen talk siliconen UV-doorlatend glas SiO2 vuilafstotend maken van zonwering SiO2 vulstof voor papier, kunststof, rubber SiO2 vulstof voor verf, papier en zeep talk vuurvaste steen SiC waterafstotend maken van textiel siliconen weerstand voor hoge temperatuur SiC
1) dimethylpolysiloxanen: siliconenoliën van diverse viscositeit; in de keten zitten voortdurend twee methylgroepen aan Si.