silisium

Silisium er den viktigste halvlederen, og utviklingen av moderne elektronikk er i stor grad basert på bruken av silisium som halvledende materiale.

I høyren form har silisium 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.

Multi- og monokrystallinsk silisium brukes blant annet i solceller, som produserer elektrisitet fra sollys. Solceller har mange bruksområder. 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.

I Norge har wafere til solceller blitt produsert av selskapet REC (Renewable Energy Corporation). Andre viktige norske aktører innen solcellebransjen er Elkem Solar og Norsun.

Silisiummineralet kvarts har lenge blitt brukt til å lage glass. I det 18. dynastiets Egypt lagde man glass ved å smelte kvarts sammen med alkalisalter, gjerne soda, i leirdigler. 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.

Mineralene alkalifeltspat og albitt, samt nefelin brukes også i stor utstrekning til produksjon av glass, porselen og keramikk.

Allerede for mer enn 5000 år siden brukte man kvarts til å lage perlekjeder, små vaser og øyepupiller på statuer. Fremdeles brukes mange varianter både av makro- og mikrokrystallinsk kvarts til smykker. Det lages blant annet smykkesteiner av bergkrystall, opal, onyks, olivin, agat, topas, granat og ametyst. Serpentinstein kan også poleres og brukes til fliser og andre former for prydstein.

Silisium er en hovedbestanddel i silikon. Silikon ble første gang syntetisert i 1938 og har siden midten av det forrige århundre blitt brukt som medisinsk implantat, blant annet til brystimplantater. Silikon reagerer lite med andre stoffer (det er ganske inert) og egner seg generelt godt som implantat. Samtidig har silikon i geléform en konsistens som ligner på brystvev. 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 påvise at silikonimplantat øker risikoen for sykdom.

Silikagel er amorft silisiumdioksid som har en stor, indre overflate og tiltrekker seg vann (er sterkt hygroskopisk). Det brukes derfor som tørkemiddel, ved at det trekker til seg fuktighet og dermed gjør omgivelsene tørrere. Silikagel blir oftest sett som små, glasslignende kuler som gjerne ligger i en pose sammen med nykjøpte klær og andre gjenstander som ikke bør være fuktige.

Talk er en hovedbestanddel i talkum, som lenge har vært brukt i hudpleie og kosmetikk med mer. 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).

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

Asbest inneholder silisium, og brukes i utstrakt grad som varmeisolasjonsmateriale og i mange ildsikre gjenstander. Asbestfibre i luft kan gi lungekreft, og asbestmaterialer må derfor underlegges betydelige sikkerhetstiltak.

Silisiumdioksid i formen kvarts er piezoelektrisk. Det vil si at når det utsettes for trykk slik at det endrer form, blir det elektrisk polarisert. Denne 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.

Teknisk silisium brukes 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.

Industrielt brukes kvarts som ildfast materiale, som slaggtilsetning i smelter for å slagge ut basiske oksider. Kvarts brukes også som elektrisk isolasjonsmateriale, som slipe- og polermiddel og som morter i knusemaskiner (agatmorter). Også granater brukes i nedknust tilstand som slipemiddel.

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

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

Zeolitter er silikater som har en utstrakt bruk som ionebyttere, molekylsiler, katalysatorer og bærere for katalysatorer av platinametaller. De fleste zeolittene fremstilles i dag kunstig.

Kiselgur eller diatoméjord er etterlatte skall fra 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 nitroglyserin i kiselgur.

Silisium finnes ikke i fri tilstand i naturen, men bundet til oksygen i silikatmineraler. Det finnes silisiumkilder overalt i hele verden. Silisiumdioksid forekommer som sand, kvarts, bergkrystall, ametyst med mer. Silikatene er den mest utbredte gruppen av mineraler i jordskorpen. Silikatmineraler finnes i alle slags geologiske systemer, og er like utbredt i eruptiver og sedimenter så vel som i metamorfe bergarter.

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

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.

Silisium spiller en vesentlig rolle for knokkel- og bindevevsdannelsen hos planter og dyr. Hos høyerestående dyr fører silisiummangel til vekstforstyrrelser.

Silisium er også viktig for knokkel- og bindevevsdannelsen i menneskekroppen, og det er derfor et nødvendig næringsmiddel for mennesker. Daglig inntak varierer mye fra person til person og ligger på 20–1200 milligram. Frokostblanding er et eksempel på en matvare som inneholder mye silisium.

Menneskelig vev kan inneholde 6–90 milligram silisiumdioksid per 100 gram tørt vev. Silisium konsentreres ikke i spesielle organer, men finnes i bindevev og hud. I tillegg inneholder menneskehår 0,01–0,36 prosent og negler 0,17–0,54 prosent silisium. I lungevev kan innholdet variere fra 10 milligram i barndommen til 2 gram per 100 gram hos eldre. Et voksent menneske utskiller daglig gjennomsnittlig cirka 10 milligram silisiumdioksid.

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

Silikater i fiberform, som asbest, er kreftfremkallende. I dag er det forbudt å bruke asbest som bygningsmateriale i vestlige land, men det brukes fremdeles mye i andre deler av verden. Videre kan innånding av kvartsholdig støv over lengre tid føre til silikose, en kronisk lungesykdom. Yrker med høy risiko er gruvearbeid og arbeid med sandblåsing, støping og porselen.

Berzelius ga først grunnstoffet navnet kisel av det tyske ordet Kis, som betyr «grus». Dette navnet ble brukt i Skandinavia inntil siste halvdel av 1900-tallet, og det brukes fortsatt i Sverige.

Navnet silisium kommer fra latinsk silex, som betyr «flint» eller «hard stein».

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

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. Metallisk silisium fås så ved reduksjon med hydrogengass.

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

Etter år 2000 har produksjonen av silisium i verden hatt en årlig økning på rundt 4,4 prosent, og utgjorde 9,7 megatonn i 2024. Kina er den dominerende produsent med en andel på over 75 prosent (7,4 megatonn). Andre viktige produsentland er Russland (520 kilotonn), Brasil (390 kilotonn) og Norge (300 kilotonn). (Tall fra United States Geological Survey).

I Norge produseres silisium av Elkem.

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.

• Les mer om silisider, silisiumoksider, silikon og siloksaner.

Det er tre stabile isotoper av silisium:

• ²⁸Si (92,2 prosent)
• ²⁹Si (4,7 prosent)
• ³⁰Si (3,1 prosent)