silisium – Store norske leksikon (original) (raw)

Utdrag fra periodesystemet

Silisium er det 14. grunnstoffet i periodesystemet. Det har atomnummer 14, atommasse 28,08 og atomsymbol Si.

Silisium er et grunnstoff som er hardt og sprøtt. Det har metallisk glans og leder elektrisk strøm, men ikke så godt som metall.

Faktaboks

Etymologi

fra latin silex, 'flint, hard stein'

Engelsk navn

silicon

Atomsymbol

Atomnummer

Relativ atommasse

28,09

Silisium er et grunnstoff i gruppe 14 i periodesystemet – karbongruppen. Det er et av de seks halvmetallene (metalloidene). Stoffet har samme struktur som diamant. Silisium er den viktigste halvlederen, og har stor betydning i elektronikken.

Silisium kan fremstilles som pulver, polykrystallinske biter, store enkrystaller eller tynne filmer. Pulverformet silisium er ofte farget brunt til gråbrunt. Større krystaller er mørkegrå–svarte.

Silisium er ett av de få stoffene som utvider seg ved størkning, på samme måte som vann, gallium og vismut.

Bruk

Solcelle

Polykrystallinsk silisium brukt i solceller.

Silisium er den viktigste halvlederen. I høyren form har det lav elektrisk ledningsevne (konduktans), men den kan økes ved tilsetning av små mengder bor, fosfor, arsen eller andre grunnstoffer.

Kontrollert tilførsel av fosfor skjer ved bestråling av høyrent silisium med nøytroner. Da dannes det p- og n-ledende silisium. Ved riktig sammensetning av p- og n-ledende sjikt fremstilles dioder, transistorer og andre mer kompliserte elektroniske komponenter og kretser. Den avanserte halvlederindustrien er basert på silisium.

I legeringer

Teknisk silisium anvendes industrielt som deoksidasjonsmiddel for stål, kobber og bronse. I stålindustrien brukes det for det meste i form av ferrosilisium. Silisium blir også brukt som legeringstilsetning for jern, aluminium, kobber, mangan med flere.

Fjærstål inneholder 1,8–2,2 prosent silisium. Silisiumstål med 0,1–0,5 prosent silisium blir brukt i transformator- og dynamoblikk.

Korrosjonsbestandige jernlegeringer med 12–16 prosent silisium blir blant annet brukt for syrefaste ledninger og beholdere. Silumin er en aluminium-støpelegering med cirka 13 prosent silisium. Den er sveisbar, har stor fasthet og er korrosjonsbestandig.

Forekomst

Melkekvarts

Vanlig melkehvit kvarts.

27,7 vektprosent av jordskorpen er silisium. Nest etter oksygen er det det grunnstoffet det finnes mest av. Til sammen utgjør oksygen og silisium cirka tre fjerdedeler av den uorganiske delen av jordskorpen.

Mineraler

Silisium finnes ikke i fri tilstand i naturen, men bundet til oksygen i silikatmineraler. Silisiumdioksid forekommer som sand, kvarts, bergkrystall, ametyst med mer. Silikatene er den mest utbredte gruppen av mineraler i jordskorpen.

I planter og dyr

Laverestående planter, for eksempel kiselalger, inneholder silisiumdioksid i celleveggene. I høyerestående planter kan silisiuminnholdet bli ganske stort, for eksempel i gress og halm, hvor den skjærende skarpheten skyldes harde krystaller av silisiumdioksid.

I dyreriket finnes silisium først og fremst i fjær og i mindre mengder i bindevev.

I kroppen

Menneskelig vev kan inneholde 6–90 milligram silisiumdioksid per 100 gram tørt vev. I lungevev kan innholdet variere fra 10 mg i barndommen til 2 g per 100 g hos eldre. Menneskehår inneholder 0,01–0,36 prosent og neglesubstansen 0,17–0,54 prosent silisium.

Silisium er ikke giftig. Det har heller ingen spesifikk eller vesentlig innvirkning på stoffskiftet eller nervesystemet.

Silisium spiller en vesentlig rolle for knokkel- og bindevevsdannelsen hos dyr og planter. Hos høyerestående dyr fører silisiummangel til vekstforstyrrelser. Et voksent menneske utskiller daglig gjennomsnittlig cirka 10 milligram silisiumdioksid.

Historie

Silisium ble trolig først fremstilt i 1811, da Joseph Louis Gay-Lussac og Louis Jacques Thénard lot silisiumtetrafluorid reagere med kalium og fikk et rødlig brunt, brennbart pulver. Men de oppfattet ikke pulveret som et grunnstoff.

Jöns Jacob Berzelius, som i 1823 gjentok Gay-Lussacs og Thenards forsøk, blir vanligvis kreditert oppdagelsen av silisium. Ved å varme opp kaliumheksafluorosilikat med kalium, fikk han et renere mørkfarget pulver som ved forbrenning ble omdannet til kiseljord, det vil si silisiumdioksid.

Grunnstoffet ble gitt navnet kisel av det tyske ordet Kis, 'grus'. Det første krystallinske silisiumet ble fremstilt i 1854 av Henri Sainte-Claire-Deville. Organmetalliske silisiumforbindelser [Si(C2H5)4] ble først fremstilt i 1863 av Charles Friedel og James Craft.

Fremstilling

Polykrystallisk silisium

Industrielt framstilt kubbe med silisium.

Silisium

Teknisk fremstilles silisium i kompakt form ved å redusere kvarts med kull (karbon) ved 1700 °C. Det skjer etter følgende formel:

\[\ce{SiO2 + 2C -> Si + 2CO}\]

Blir det brukt overskudd av karbon, dannes silisiumkarbid. I laboratoriet kan man alternativt bruke magnesium eller aluminium som reduksjonsmiddel.

Teknisk fremstilt silisium inneholder 98,5–99,7 prosent silisium; forurensningene, vesentlig av jern, aluminium og kalsium, avhenger av kvartsens kvalitet. Silisium fremstilles i Norge av Elkem.

Høyrent silisium

Fremstilling av høyrent silisium for bruk i elektronisk industri skjer ved videreforedling av teknisk fremstilt silisium. Silisium omdannes til et flyktig silan ved reaksjon med hydrogenklorid. Dette renses ved destillasjon. Alternativt dannes SiCl4 ved reaksjon med klor. Elementært silisium fås så ved reduksjon.

Høyrent silisium foreligger i polykrystallinsk form. Store, dislokasjonsfrie enkrystaller fremstilles for eksempel ved sonesmelting. Denne metoden gir høyrent silisium med forurensningsinnhold på kun cirka 0,001 del per million, ppm.

Kjemiske egenskaper

I kompakt form er silisium generelt et edelt materiale. I luft dannes et passivt lag av amorft silisiumdioksid som beskytter mot reaksjoner helt opp mot smeltepunktet til silisium. I pulverform er silisium mer reaktivt. Generelt vil det bare reagere med andre grunnstoffer ved oppvarming eller høye temperaturer.

Silisium er praktisk talt uløselig i syrer, med unntak av flussyre eller blanding av flussyre og salpetersyre. Silisium løser seg i varm lut under dannelse av hydrogen og silikationer, som vist i følgende reaksjonsligning:

\[\ce{Si + 2OH^{-} + H2O -> SiO32^{-} + 2H2}\]

Silisium har flere felles trekk med grunnstoffet karbon, som er i samme gruppe i periodeystemet. Det danner kjedeformede hydrogenforbindelser, silaner, med generell formel Si_n_H2_n_+2, hvor n er et helt tall (under 10)(se også alkaner), men tendensen til kjededannelse er mye mindre enn hos karbon. I motsetning til karbon danner ikke silisium dobbelt- eller trippelbindinger.

Forbindelser

I sine kjemiske forbindelser har silisium hovedsakelig oksidasjonstall +IV, men det kan også ha oksidasjonstall +I, II og III.

Silisium reagerer langsomt med nitrogen og danner silisiumnitrid over cirka 1000 °C. Ved reaksjon mellom silisium og karbon over cirka 1200–1300 °C dannes silisiumkarbid. Med svovel dannes silisium disulfid ved 600 °C.

Silisium–oksygen-bindinger er svært stabile. Dette gir opphav til dannelse av silisiumdioksidet og silikater. Av silanene fås ved substitusjon en lang rekke uorganiske og organiske forbindelser, for eksempel silikoner og siloksaner.