Silizium

In allen in der Natur auftretenden und in der überwiegenden Zahl der synthetisch hergestellten Verbindungen bildet Silicium ausschließlich Einfachbindungen aus. Die Stabilität der Si-O-Einfachbindung im Gegensatz zur C-O-Doppelbindung ist auf ihren partiellen Doppelbindungscharakter zurückzuführen, der durch Überlappung der freien Elektronenpaare des Sauerstoffs mit den leeren d-Orbitalen des Siliciums zustande kommt. Die lange Jahre als gültig angesehene Doppelbindungsregel, wonach Silicium als Element der 3. Periode keine Mehrfachbindungen ausbildet, muss mittlerweile jedoch als überholt angesehen werden, da inzwischen eine Vielzahl synthetisch hergestellter Verbindungen mit Si-Si-Doppelbindungen bekannt sind. Im Jahre 2004 wurde die erste Verbindung mit einer formalen Si-Si-Dreifachbindung strukturell charakterisiert. Mit Ausnahme von chlorhaltiger oder salpetersäurehaltiger Flusssäure (in denen sich Hexafluorosilicat bildet) ist Silicium in Säuren unlöslich, da es zur Passivierung durch die Bildung einer festen Siliciumdioxidschicht kommt. Leicht löst es sich hingegen in heißen Alkalilaugen unter Wasserstoffbildung. Trotz seines negativen Normalpotenzials (−0,81 V) ist es in kompakter Form reaktionsträge, da es sich an der Luft mit einer schützenden Oxidhaut überzieht.

Silizium ist das siebthäufigste Element im Universum, nach Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Neon. Diese Häufigkeiten sind auf der Erde aufgrund der erheblichen Trennung der Elemente während der Bildung des Sonnensystems nicht gut nachgebildet. Silizium macht 27,2% der Erdkruste nach Gewicht aus, nur nach Sauerstoff an zweiter Stelle mit 45,5%, mit dem es in der Natur immer verbunden ist. Eine weitere Fraktionierung fand bei der Entstehung der Erde durch planetare Differenzierung statt: Der Erdkern, der 31,5% der Erdmasse ausmacht, hat eine ungefähre Zusammensetzung von Fe25Ni2Co0.1S3; der Mantel macht 68,1% der Erdmasse aus und besteht hauptsächlich aus dichteren Oxiden und Silikaten, ein Beispiel ist Olivin, (Mg,Fe)2SiO4; während die leichteren kieselsäurehaltigen Mineralien wie Aluminosilikate an die Oberfläche steigen und die Kruste bilden, die 0,4% der Erdmasse ausmacht. Die Kristallisation von magmatischen Gesteinen aus Magma hängt von einer Reihe von Faktoren ab; unter ihnen die chemische Zusammensetzung des Magmas, die Abkühlungsrate und einige Eigenschaften der einzelnen zu bildenden Mineralien, wie Gitterenergie, Schmelzpunkt und Komplexität ihrer Kristallstruktur. Wenn Magma abkühlt, erscheint zuerst Olivin, gefolgt von Pyroxen, Amphibol, Biotitglimmer, Orthoklasfeldspat, Muskovitglimmer, Quarz, Zeolithe und schließlich hydrothermale Mineralien. Diese Sequenz zeigt einen Trend zu zunehmend komplexeren Silikateinheiten mit Abkühlung und der Einführung von Hydroxid- und Fluoridanionen zusätzlich zu Oxiden. Viele Metalle können Silizium ersetzen. Nachdem diese magmatischen Gesteine Verwitterung, Transport und Ablagerung durchlaufen, entstehen Sedimentgesteine wie Ton, Schiefer und Sandstein. Metamorphose kann auch bei hohen Temperaturen und Drücken auftreten und eine noch größere Vielfalt an Mineralien schaffen. Es gibt vier Quellen für den Siliziumfluss in die Ozeane: chemische Verwitterung von kontinentalen Gesteinen, Flusstransport, Auflösung kontinentaler terrigener Silikate und durch die Reaktion zwischen submarinen Basalten und hydrothermalen Flüssigkeiten, die gelöstes Silizium freisetzen. Alle vier dieser Flüsse sind im biogeochemischen Kreislauf des Ozeans miteinander verbunden, da sie alle ursprünglich aus der Verwitterung der Erdkruste entstanden sind. Jährlich werden etwa 300-900 Megatonnen äolischer Staub in die Weltmeere eingetragen. Davon sind 80-240 Megatonnen in Form von partikulärem Silizium. Die gesamte Menge an partikulärem Silizium, das in die Ozeane eingetragen wird, ist dennoch geringer als die Menge des Siliziumeinflusses in die Ozeane durch Flusstaschen. Äolische Einträge von partikulärem lithogenem Silizium in den Nordatlantik und den westlichen Nordpazifik sind Ergebnisse von Staub, der sich von der Sahara bzw. der Gobi-Wüste auf den Ozeanen ablagert. Flussstransporte sind die größte Quelle des Siliziumeinflusses in Küstenregionen, während die Siliziumeinlagerung im offenen Ozean stark durch die Sedimentation von äolischem Staub beeinflusst wird.