14 Si Silisium
Atommasse:
28,085
Fase (ved 25 °C):
Fast
Smeltepunkt:
1414 °C / 1687 K
Kokepunkt:
2900 °C / 3173 K
Vis flere fakta
Gruppe:
14
Periode:
3
Blokk:
p
Elektronkonfigurasjon:
[Ne]3s<sup>2</sup>3p<sup>2</sup>
Elektronegativitet:
1,90
Tetthet (ved 25 °C):
2,33 g/cm³
Vis færre fakta

Silisium

Rent krystallinsk silisium er et hardt og sprøtt materiale med samme struktur som i diamant. Forbindelser av silisium og oksygen inngår i mange typer stein, og silisium utgjør hele 28 % av massen til den øvre jordskorpen. Norge produserer silisiumprodukter som brukes i solcelleindustrien.

Anvendelser

Stein var det første råmaterialet menneskene og deres forfedre benyttet til å lage bruksgjenstander. Allerede i prehistorisk tid brukte menneskene flint til å lage verktøy og våpen. I det 18. dynastiets Egypt lagde man glass ved å smelte sammen kvarts og alkalisalter, gjerne soda, i leirdigler. For mer enn 5000 år siden brukte man kvarts til å lage perlekjeder, små vaser og øyepupiller på statuer. Også romerne kjente godt til kvarts og glass. De utviklet glasskunsten og la grunnlaget for den posisjonen Italia senere fikk i glasskunsten. Lenge var det bare pyntegjenstander som ble laget av glass. Vinduer til kirker ble laget i glassmosaikk. Først ved industrialismens gjennombrudd ble glass en vanlig bruksgjenstand.

Kvarts brukes til en rekke formål. Mange varianter både av makro- og mikrokrystallin kvarts brukes til smykker. Industrielt brukes kvarts som ildfast materiale, som slaggtilsetning i smelter for å slagge ut basiske oksyder. Kvarts brukes som elektrisk isolasjonsmateriale, som slipe- og polermiddel og som morter i knusemaskiner (agatmorter). Silisiumoksid, SiO2, i formen kvarts er piezoelektrisk og den piezoelektriske effekten utnyttes til mange formål. Den kan brukes til å lage fintfølende vekter, som registrerer den ladningen som oppstår når en gjenstand trykker på en kvartskrystall. Viktigst i dag er bruken i frekvenskontroll, siden krystallen utvider seg og trekker seg sammen i takt med et oscillerende elektrisk felt. Dette ble tidlig utnyttet i radioteknikken i krystallapparater, men siden har kvartsur og mikroprosessorer tatt overhånd. Effekten brukes også i ekkolodding, undervannssignalisering og ubåtlokalisering.

Alkalifeltspat og albitt, samt nefelin brukes i stor utstrekning til fabrikasjon av glass, porselen og keramikk.

Muskovittglimmer brukes som vindu i ovnsdører, som isolasjonsmateriale i elektroindustrien og fyllstoff i maling, gummi og en rekke andre produkter.

Zeolitter har et utstrakt bruk som ionebyttere, molekylsåld, katalysatorer og bærere for katalysatorer av platinametallgruppen. De fleste fremstilles i dag kunstig.

Silisiumdioksyd brukes også i næringsmiddelindustrien som fyllstoff og middel mot klumper (E551) i sauser, tørkede frukt- og grønnsakprodukter, desserter og søte drikker samt i tabletter.

Talk er en hovedbestanddel i talkum, som lenge har vært brukt i hudpleie og kosmetikk m.m. Dessuten brukes det i keramikk, som fyllstoff i maling, papir, gummi, asfalt, plast, polermidler, insektmidler og tekstiler. Talkum brukes også i næringsmiddelindustrien som overflatebehandlingsmiddel i godterier og tabletter, som middel mot klumper og som fyllstoff i tabletter (E553b).

Serpentinstein poleres og brukes til fliser og andre former for prydstein.

Asbest er fiberaktige varianter av krysotil, Mg3Si2O5(OH)4, eller visse amfibolmineraler som brukes i utstrakt grad som varmeisolasjonsmateriale og i mange ildsikre gjenstander. Det er de siste årene funnet at asbestfibre i luft kan gi lungekreft, og derfor må asbestmaterialer underlegges betydelige sikkerhetstiltak.

Olivin brukes nedknust som støpesand for å unngå silikoserisikoen ved kvartssand. Magnesiumrik olivin har et smeltepunkt på 1890 °C, og brukes ved fremstilling av ildfaste materialer.

Granater er harde og brukes i nedknust tilstand som slipemiddel.

Teknisk silisium anvendes industrielt som deoksidasjonsmiddel for stål, kobber og bronse. Silisium er et viktig legeringselement i mange typer stål der silisium tilsettes i form av ferrosilisium. Jernlegeringer med 12-16 % silisium er korrosjonsbestandige og brukes bl.a. for syrefaste beholdere.

Utviklingen av moderne elektronikkindustri er i stor grad basert på bruk av silisium som halvledende materiale i dioder, transistorer og større sammensatte integrerte kretser. Høyrent silisium er en halvleder, men med liten elektrisk ledningsevne. For å oppnå høyere ledningsevne tilsetter man små mengder av bor, fosfor, arsen o.a. Derved dannes p- og n- ledende silisium.

Multikrystallinsk og monokrystallinsk silisium benyttes i solceller. Solceller bygger på prinsippet om den fotoelektriske effekten og produserer elektrisitet fra sollys. Solceller brukes på mange områder. De har vanligvis blitt brukt der elektrisitet fra strømnettet ikke er tilgjengelig, slik som i avsidesliggende strøk, satellitter, håndholdte kalkulatorer og sambandsutstyr. På grunn av økende behov for energi har denne fornybare energikilden fått stor betydning i mange land som erstatning for olje.

REC (Renewable Energy Corporation) med hovedkontor i Oslo er verdens største produsent av wafere og et av verdens største solcelleselskaper med produksjon i Norge (Glomfjord, Narvik, Herøya), Sverige (Arvika) og USA. Andre viktige norske aktører innen solcellebransjen er Elkem Solar og Norsun.

Rariteter

Silisium utvider seg ved størkning. Silisium har i likhet med for eksempel vann, gallium og vismut den relativt uvanlige egenskapen at det utvider seg ved størkning.

Kiselgur eller diatoméjord er etterlatte skall etter diatomeer (kiselalger). Det er meget lett og porøst og har vært mye brukt som isolasjons- og fyllmiddel og til filtrering. Alfred Nobel laget opprinnelig dynamitt ved å suge opp nitroglyserol i kiselgur.

Høyrent silisium med en kilopris på 3,3 millioner Nkr skal brukes til å lage nytt kilogram-standardlodd. Det vil erstatte dagens lodd som består av platina og iridium, og som gradvis har blitt for lett fordi det flasser atomer ved hver rengjøring.

I kroppen

Menneskelig vev kan inneholde fra 6-90 mg SiO2 i 100g tørt vev. Det er hevet over tvil at silisium er et nødvendig næringsmiddel for mennesker. Daglig inntak varierer mye fra person til person og ligger mellom 20 milligram til 1200 milligram. De som spiser mye frokostblanding får i seg mye silisium. Silisiumet konsentreres ikke i spesielle organer men finnes i bindevev og hud, og i tillegg inneholder negler og hår små mengder silisium.

I ren form og slik det finnes i naturen er silisium ikke giftig, men silikater i fiberform, som asbest, er kreftfremkallende. Det er forbudt å bruke asbest som bygningsmateriale i vestlige land, men det brukes dessverre mye i andre deler av verden. Innholdet av silisium i lungevev kan være ganske høyt hos voksne mennesker. Innånding av kvartsholdig støv gjennom lengre tid kan føre til silikose, en kronisk lungesykdom. Yrker med høy risiko er gruvearbeid, arbeid med sandblåsing, støping og porselen.

Laverestående planter som diatomeer inneholder SiO2 i celleveggene. Høyerestående planter som gress og halm kan ha ganske høye innhold av SiO2. I dyreriket finnes silisium i fjær og i mindre mengder i bindevev.

Silisium har opp gjennom tidene blitt foreslått å ha medisinsk betydning uten at det har kommet kommersielle preparater ut av forskningen.

Silisium er en hovedbestandel i silikon. Silikon ble første gang syntetisert i 1938 og har siden midten av det forrige århundre vært anvendt som medisinsk implantat. Silikon er ganske inert og egner seg generelt godt som implantat. Samtidig har silikon i geléform en konsistens som likner på brystvevets. Det antas at mer enn 50 000 norske kvinner har silikonbrystimplantater etter brystforstørring eller brystrekonstruksjon. Opp gjennom årene har det vært mye oppmerksomhet omkring de helsemessige sidene ved brystimplantasjonskirurgien. I USA har det siden 1992 vært forbudt å anvende silikonimplantater ved brystforstørring. Et slikt forbud er ikke innført i Europa eller i Norge, fordi man tross omfattende forskning ikke har kunnet vise at silikonimplantat øker risikoen for sykdom.

Navn

Navnet silisium og symbolet Si kommer fra latinsk silex som betyr flint/hard stein.

Oppdageren av silisium kalte grunnstoffet kisel, etter kiselsyre, som ble brukt som navn på silisiumdioksid. Kisel ble brukt i Skandinavia inntil siste halvdel av 1900-tallet (det brukes fortsatt i Sverige).

Opprinnelig het det silicium på engelsk, men det ble påpekt av T. Thomson i 1831 at dette var et ikke-metallisk grunnstoff og at navnsetningen burde være i overensstemmelse med andre ikke-metaller som bor (boron) og karbon (carbon), og da ble navnet endret til silicon. Dette har gitt opphav til mange feiloversettelser fra engelsk til norsk.

Historie

Silisiumdioksid har vært kjent siden prehistorisk tid. I 1800 påpekte Humphry Davy at det var en forbindelse og ikke et grunnstoff som Lavoisier hadde antatt, men han fant ikke ut hva forbindelsen bestod av.

Det er sannsynlig at J.L.Gay Lussac og L.J. Thenard er de første som framstilte silisium, da de i 1811 fant ut at kalium og silisiumtetrafluorid reagerte med hverandre og dannet et rødbrunt brennbart pulver. De innså ikke at de hadde funnet et nytt grunnstoff og det er J.J. Berzelius som krediteres for å ha oppdaget silisium. I 1823 gjentok Berzelius eksperimentet til Lussac og Thenard med noen forbedringer. Han oppdaget at pulveret ved forbrenning ble omdannet til kiseljord (silisiumdioksyd, SiO2) og ga grunnstoffet navnet kisel. Rent krystallinsk silisium ble først fremstilt i 1854 av H. Saint-Clair Deville.

Fremstilling

Kvarts er vanligvis utgangspunktet for fremstilling av grunnstoffet silisium. Den brytes i Norge fra pegmatitt ved Kragerø og fra kvartsitt ved Heddalsvann i Telemark, Hervik i Rogaland, Hardanger og flere steder i Nordland og Troms.

Teknisk rent silisium kan fremstilles ved å redusere kvarts med kull.

SiO2(s) + 2C(s) = Si(s) + 2CO(g)

For å unngå å få dannet SiC kan man sette til jern. Alternativt kan man bruke magnesium eller aluminium som reduksjonsmiddel. Magnesium- eller aluminiumsoksidet som da dannes, fjernes med saltsyre. Teknisk fremstilt silisium inneholder fra 98,5 % til 99,7 % silisium.

Superrent silisium som trengs til elektroniske formål kan lages på forskjellige måter, f.eks. ved å la teknisk rent silisium reagere med klorgass og så redusere silisiumtetraklorid (SiCl4) med hydrogengass til silisium.

Si(s) + 2Cl2(g) = SiCl4(l)

SiCl4(l) + 2H2(g) = Si(s) + 4HCl(g)

Enda høyere renhet er nødvendig for bl.a. solcelleproduksjon, og høyrent silisium kan man få ved sonesmelting, som går ut på å oppvarme en stang av rent silisium til smelting i en sone eller en serie soner ved hjelp av en eller flere induksjonsspoler som gjentatte ganger meget sakte føres fra den ene enden av stangen til den andre. Urenhetene løses lettere i smeltet silisium og føres med smeltesonen slik at de kan kuttes av i enden etter behandlingen.

Forekomst

Kvarts, SiO2, fra Valdres.
Foto: Per Aas, Naturhistorisk museum, UiO.

Det finnes silisiumkilder overalt i hele verden. Silisium finnes i naturen i mange former, for eksempel i form av silisiumdioksid (SiO2) som forekommer som sand og kvarts. Kvarts kan ha mange farger, når den er klar kalles den bergkrystall og fiolett kalles ametyst.

I tillegg finnes silikatmineraler i alle slags geologiske systemer, de er like utbredt i eruptiver og sedimenter så vel som metamorfe bergarter.

Det finnes mange silikater med alkalie- og jordalkaliemetaller.

Det drives kommersiell gruvedrift på et fåtall silikatmineraler. Blant dem er talk et grønnhvitt, flakig mineral med en såpeaktig overflate og en perleaktig glans. Talk har kjemisk formel Mg3Si4O10(OH)2. De største produsentlandene for talk er: USA (ca 850 000 tonn i 2003), India, Finland, Frankrike, Brasil, Australia, Østerrike og Italia. Norge står for ca 0,4 % av verdens produksjon av talk.

Vakre smykkesteiner er ettertraktet og det drives utvinning av bergkrystall, opal, onyks, olivin, agat, topas, granat og ametyst. Australia står for 90 % av verdens opal-utvinning – og opal ble i 1994 kåret til Australias nasjonalsmykkesten.

Selv om oksidene til silisum er svært stabile finnes det gedigene forekomster av silisium i naturen for eksempel som inklusjoner i gullpartikler.

Kjemien

Silisium kan ha veldig forskjellig utseende avhengig av fremstillingsmåten. Silisium i pulverform er ofte rødbrunt til gråbrunt. Større krystaller er mørkegrå til svarte.

Rent krystallinsk silisium er et hardt og sprøtt materiale med metallisk glans. Krystallstrukturen er som i diamant, kubisk med alle atomene kovalent bundet til naboatomene i tetraederform.