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Silizium

Silizium

Das Element Silizium

Silizium ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 14. Es wird mit dem Symbol „Si“ im Periodensystem der Elemente abgekürzt und zählt zu den klassischen Halbmetallen. Reines Silizium hat eine grau-schwarze Farbe und den typischen glänzenden Metallglanz, welchen Metalle aufweisen. Auf Grund seiner chemischen Eigenschaften wird es in der Industrie zur Herstellung von elektronischen Bauteilen (z.B. Mikrochips und Prozessoren) genutzt.

Es findet aber auch in vielen weiteren industriellen Anwendung gebrauch. Als Silikate, Minerale, oder Siliziumdioxid, vorwiegend Quarze, wird es zur Herstellung von Gläsern, Zement und Keramik eingesetzt und stellt den Hauptbestandteil dieser Produkte dar.

Siliziumvorkommen

Die natürlichen Vorkommen auf der Erde sind sehr groß. Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste und ist mit etwa 28 Gewichtsprozenten der Erdmasse allgegenwärtig. Selbst im Weltall ist Silizium das 8 häufigste Element nach Masse. Die erdähnlichen Planeten bestehen alle zum größten Teil aus Silikaten.  Zu finden ist es in Staub, Sand, Gestein und Planetenmasse in verschiedenen Form von Silikaten und Siliziumoxidverbindungen.

Silizium reagiert sehr leicht mit Sauerstoff, so dass es auf der Erde nur selten in seiner Reinform vorkommt. Es tritt vorwiegend als hochstabile Silikat-Minerale und Siliziumoxide auf. Allgegenwärtig ist Sand, der aus Siliziumdioxid besteht und auf Grund seiner Härte, der chemischen Widerstandskraft und Witterungsbeständigkeit in der oberen Erdkruste vorliegt.  Siliziumdioxid bildet mit Beimengungen verschiedenster Stoffe in seiner Reinform charakteristische Quarze welche als unterschiedliche Schmucksteine bekannt sind (z.B. Amethyst, Rosenquarz, Achat und Opal). Die edelsten Quarze sind die Edelsteine Smaragd und Aquamarin. Mit vielen Metallen bildet Silizium Silikate (Salze der Kieselsäure Si(OH)4). Die Erdkruste besteht zu 90% und der Erdmantel fast vollständig aus Silikaten und ist Bestandteil von Gesteinen. Die häufigsten Silikate sind Feldspäte gefolgt von Mineralien wie Glimmer, Ton, Schiefer, Sandstein, Granat etc...

Siliziumverbindungen sind nicht nur in fester Form auf der Erde vertreten. In den Weltmeeren ist ein großer Teil des natürlichen Siliziums als monomere Kieselsäure gelöst. Als Kieselsäuren bezeichnet man die Sauerstoffsäuren des Siliziums. Die einfachste Säure ist die Monokieselsäure (Orthokieselsäure) und diese findet man in allen Gewässern, auch im Trinkwasser, sowie in tierischen und pflanzlichen Körperflüssigkeiten. Die Konzentration an gelöstem Silizium im Wasser ist abhängig von den geografischen und geologischen Umwelteigenschaften, da es durch die Verwitterung aus Gestein und Böden gelöst wird und dadurch ins Wasser und Trinkwasser gelangt.

Silizium in der Natur

Silizium kommt in der Natur in großen Mengen in Silikatverbindungen vor. Es wird jedoch nur von wenigen Lebewesen aufgenommen und direkt verwertet. Diese Organismen bilden silikathaltige Strukturen, hierzu zählen Lebewesen wie Kieselalgen (Diatomeen), Strahlentierchen (Radiolarien) sowie einige Schwammarten. Sie bilden mit Hilfe von speziellen Enzymen siliziumoxidhaltige Exoskelette.  Auch in der Pflanzenwelt gibt es Arten, die sich die besonderen Eigenschaften von Silizium zunutze machen. So findet man in Schachtelhalm und Bambuspflanzen einen hohen Anteil von Siliziumdioxid in Blättern und Stängeln. Die Pflanzen bilden ein Siliziumdioxidgerüst aus, welches die Pflanzen besonders stabil macht, aber die Flexibilität darunter nicht leidet.

Grundsätzlich wird Silizium von allen Pflanzen beim Wachstum aufgenommen und in der Pflanze gespeichert. Viele Pflanzen akkumulieren Silizium aus dem Boden oder aus erdigen Lösungen und nutzen es als strukturgebendes Element, z.B. zur Festigung des Pflanzenstängels. Besonders in Getreide und Gräsern finden sich höhere Anteile von Silizium. Bei der Verarbeitung der Rohprodukte zu Nahrungsmitteln wird ein großer Teil des Siliziumgehaltes entfernt, so dass dieses nicht mehr zur Verfügung steht.

Silizium im menschlichen Körper

Der menschliche Körper enthält etwa 1 bis 2 g Silizium. Damit ist es nach Eisen und Zink (physiologisch wichtige Spurenelemente) das dritthäufigste Spurenelement im Körper. Trotz des hohen Anteils von Silizium im Körper ist noch nicht eindeutig geklärt welche genauen Aufgaben es im menschlichen Körper hat. Zunächst war man der Ansicht, das  Silizium als funktionsloses Mineral im Organismus vorliegt. Tierstudien, welche ab den siebziger Jahren durchgeführt wurden, zeigen jedoch Veränderungen im Bereich des Binde- und Knochengewebes bei ernährungsbedingter Siliziumunterversorgung. Silizium kann dem Körper nur mit der Nahrung zugeführt werden, man spricht daher von einem essentiellen Mineral. Der Körper ist daher darauf angewiesen, dass die Nahrung ausreichend Silizium in einer Form enthält, die der Organismus verwerten kann.