Von den Rohstoffen zu den Siliconen

Das Element Silicium

Das folgende Kuchendiagramm zeigt die Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste:

Das Element Silicium steht mit 26 % an zweiter Stelle der Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste. Obwohl es wesentlich häufiger vorkommt als Kohlenstoff (Anteil 0,087 %), spielt es in der belebten Welt der Biomoleküle keine wesentliche Rolle. Man kann aber sagen, dass Silicium den Grundstoff der unbelebten Welt darstellt. Es tritt fast ausschließlich in Kombination mit dem häufigsten Element (Sauerstoff) in Form von Siliciumdioxid und Silikaten auf. Neben den verschiedenen Silikaten (Salze der Kieselsäure) mit Magnesium-, Calcium- oder Eisenanteilen trägt Siliciumdioxid in den Variationen Sand, Quarz und Kieselsteinen wesentlich zum Aufbau der Erdkruste bei. Während Sande und Tonmineralien schon seit altersher zu Kulturgegenständen verarbeitet wurden, gelang es erst im Jahre 1824 dem Chemiker Berzelius das Element Silicium in amorpher Form zu isolieren. Alle erwähnten Siliciumver- bindungen enthalten als typisches Strukturelement ein Tetraeder, wobei Silicium jeweils mit vier Sauerstoffatomen verbunden ist.

Strukturelemente des Siliciumoxids (Quarz)

Obwohl Silicium ebenso wie Kohlenstoff in der vierten Hauptgruppe des Periodensystems steht, unterscheiden sich beide Elemente wesentlich in ihrer Chemie. Kohlenstoff bildet eine schier unerschöpfliche Palette von Verbindungen, während die Analoga mit Silicium nicht existieren. Dies gilt sowohl für Verbindungen in der Natur, als auch für synthetische. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, soll im folgenden auf die Unterschiede zwischen den beiden Elementen (Kohlenstoff und Silicium) kurz eingegangen werden.

Vergleich der Elemente Kohlenstoff und Silicium:

1. Elektronegativität

Kohlenstoff besitzt eine höhere Elektronegativität als Silicium (C: 2,5; Si: 1,8).

2. Atomradien

C: 0,77 Å; Si: 1,15 Å

3. Elektronenkonfiguration

C: 1s² 2s² 2p²; Si: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p²

4. Bindigkeit mit Sauerstoff

Während Kohlenstoff dazu neigt, mit Sauerstoff Doppelbindungen auszubilden, bildet Silicium dagegen sehr stabile Einfachbindungen aus. Lediglich in einigen labilen Silanverbindungen kommt es zur Ausbildung von Doppelbindungen. Verstanden werden kann dieses Verhalten mit Hilfe des MO-Diagramms. Es kommt in der geringeren Energie für Übergänge von Alkenen und Disilanen zum Ausdruck: bei C ca. 6 eV, bei Si ca. 3 eV .

Neben der Vierbindigkeit ist Silicium aber auch dazu befähigt, Verbindungen mit höheren oder niedrigeren Koordinationszahlen einzugehen:

Grobe Skizzierung der industriellen Silicon-Synthese

Wie die nebenstehende Abbildung eines Ausschnittes eines linearen Siliconmoleküls zeigt, handelt es sich bei den Siliconen um organisch modifizierten Quarz.

Für die Siliconsynthese werden die Rohstoffe Sand, Kohle, Erdgas/Erdöl, Steinsalz, Luft und Wasser benötigt.

Aus Sand und Kohle wird Rohsilicium gewonnen, das in einem kontinuierlichen Prozess zu den gewünschten Siliconen weiterverarbeitet wird. Erdgas oder Erdöl dienen dazu, Methanol herzustellen (Synthesegas), ein weiterer Ausgangsstoff zur Siliconsynthese. Durch Elektrolyse von Steinsalzlösungen wird Chlor gewonnen, das in Form von HCl dem Prozess zugeführt wird. Wie der Produktionsprozess von Siliconen aussieht, zeigt schematisch die untere Abbildung:

Im ersten Schritt wird Methanol mit HCl zu Chlormethan umgesetzt (Chlormethansynthese). Anschließend gewinnt man durch Reaktion von Chlormethan mit Silicium ein Gemisch von Rohsilanen (Chlorsilansynthese). Diese werden durch Destillation getrennt, wobei Dichlordimethylsilan (CH₃)₂SiCl₂ dann durch Hydrolyse in Polydimethylsiloxan überführt wird.

Die anderen Silane werden alternativ auch mit Alkohol zu Harzen, Bautenschutzmitteln oder Spezialsiliconen umgesetzt. Interessant ist an dieser Arbeitsweise, dass der auftretende Chlorwasserstoff einen Kreislauf bildet. Auf diese Weise wird nicht nur die Wirtschaftlichkeit erhöht, sondern auch Ressourcen geschont und die Umwelt erheblich entlastet.