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Silicium

Der Film zum Kapitel Silicium


Eigenschaften

Mehr als 25 Gewichtsprozent der Erdkruste bestehen aus Silicium, selten in elementarer Form, meist in als Siliciumdioxid oder als Silicat. Im Periodensystem der Elemente ist Silicium in der 14. Gruppe platziert, zusammen mit den Elementen Kohlenstoff, Germanium, Zinn, Blei und dem radioaktiven Element Ununquandium. All diese Elemente besitzen vier Elektronen in ihrer äußersten Schale, die chemische Bindungen eingehen können.
Die Ordnungszahl von Silicium ist 14, was bedeutet, dass neutrale Siliciumatome 14 positiv geladene Protonen in ihrem Atomkern und ebenso viele Elektronen in ihrer Atomhülle besitzen. Die Neutronenzahl bei natürlich vorkommendem Silicium liegt zwischen 14 und 16, womit sich ein Atomgewicht von 28,0855 u ergibt.

Hybridorbital

Das momentan allgemein akzeptierte Modell der Elektronenhülle ist das sogenannte Orbitalmodell. Basierend auf der Wellennatur eines einzelnen Elektrons oder eines Paares von Elektronen in einem Atom, werden Orbitale errechnet. Diese Orbitale entsprechen einem Volumen, innerhalb dessen sich ein Elektron mit einer gegebenen Wahrscheinlichkeit aufhält.
Die Elektronenkonfiguration von Silicium ist: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2.
Die vier Valenzelektronen der äußersten Orbitale befinden sich in dem 3s-Orbital (2 Elektronen) und in dem 3p-Orbital (2 von 6 möglichen Elektronen). Das gilt zumindest für einzelne, isolierte Atome. Beim Ausbilden kovalenter Bindungen mit anderen Atomen, bilden das 3s- und das 3p-Orbital sogenannte Hybridorbitale:

Orbitale
Abbildung 1:
Aus dem Kugelschalenförmigen 3s-Orbital und aus den tropfenförmigen Komponenten des 3p-Orbitals bilden sich vier gleichartige Mischorbitale.
SP3 Hybridorbitale
Abbildung 2:
3D Zeichnung der Hybridorbitale:
Die vier Hybridorbitale ordnen sich so an, dass der Abstand zwischen den einzelnen Komponenten maximal ist. Der sich daraus ergebende Winkel zwischen den Grau gezeichneten, größeren Tropfen beträgt 109,45 Grad.

Stäbchenmodell

Das Stäbchenmodell wird oft verwendet, um die 3D-Position von Atomen innerhalb chemischer Bindungen anzuzeigen. Dabei werden die Atome durch kleine Kugeln dargestellt, die durch Stäbe verbunden sind, welche die chemischen Bindungen symbolisieren. Die Winkel der Stäbe zueinander entsprechen den beobachteten Bindungswinkel zwischen den Atomen.

Hybridisiertes Siliziumatom nach dem Stäbchenmodell
Abbildung 3:
Stäbchenmodell eines Siliciumatoms:
Die vier Stäbe, welche die Valenzelektronen symbolisieren, sind in Winkeln von 109,45 Grad zueinander angeordnet. Dieser Winkel wird auch als Tetraederwinkel bezeichnet, da sich dieser ergibt, wenn man das Atom im Zentrum eines Tetraeders - also eines Körpers mit vier Ecken - platziert und die Stäbe in Richtung der Ecken zeigen lässt.

Kristallstruktur von Silicium

Silicium kristallisiert genau wie Kohlenstoff und Germanium in der sogenannten Diamantstruktur. Dabei bildet jedes der vier Valenzelektronen eine kovalente Bindung mit einem anderen Siliziumatom.

Kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur
Abbildung 4:
Kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur:
Ein Kubus (Würfel) kann derart innerhalb der Kristallstruktur platziert werden, dass sich ein Atom an jeder Ecke und ein Atom im Zentrum jeder Fläche befindet. Die vier rot markierten Atome befinden sich an einer Ecke, sind im Gegensatz zu den grün markierten Atomen nicht direkt mit den Atomen im Inneren des Würfels verbunden. Die sechs magentafarbenen Atome befinden sich im Zentrum der Würfelflächen.
Der Abstand zwischen den Zentren zweier Atome längs einer chemischen Bindung beträgt 0,5430710 nm bei Silicium und 0,154 nm im Diamantkristall.

Kalottenmodell

Die Siliziumatome des Kristallgitters können nicht direkt betrachtet werden und auch die leistungsstärksten Mikroskope sind nicht in der Lage, die Struktur direkt abzubilden. Mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopen kann die Oberfläche eines derartigen Kristalls lediglich abgetastet werden. Die dadurch generierten Bilder sind nicht mit dem hier verwendeten Stäbchenmodell vergleichbar. Näher an der gemessenen Realität ist das sogenannte Kalottenmodell, bei dem die Atome in Kugelgestalt dargestellt werden. Die Bindungen entsprechen dabei überlappenden Bereichen der einzelnen Kugeln.

Kalottenmodell einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur
Abbildung 5:
Kalottenmodell einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur.
Stäbchenmodell von Silicium, Diamant oder Germanium
Abbildung 6:
Stäbchenmodell von Silicium, Diamant oder Germanium.
Kalottenmodell von Silicium, Diamant oder Germanium
Abbildung 7:
Kalottenmodell von Silicium, Diamant oder Germanium.


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