Silicium is op zuurstof na het meest voorkomende element op de aarde. Grote hoeveelheden bevinden zich in verschillende mineralen en in vorm van kiezelzuur komt het in de oceanen en alle anderen wateren voor.
In de bovenste waterlagen van de oceanen ligt de siliciumconcentratie bij circa 30 ppb, terwijl dieper gelegene lagen zeewater 2 ppm bevatten. In rivieren zijn over het algemeen ongeveer 4 ppm van dit element te vinden. In opgeloste vorm is silicium meestal niet als ion maar in vorm van orthokiezelzuur (H4SiO4 of Si(OH)4) aanwezig. Deze verbinding resulteert uit de langzame oplossing van silicaten in water.
Grote hoeveelheden van siliciumoxide worden via rivieren in de zee getransporteerd. Waarschijnlijk wordt minder dan 20% van het opgeloste silicium met behulp van biologische en/of chemische processen uit de oplossing van het rivierwater gehaald.
Silicium komt in de natuur nooit ongebonden voor. Bovendien is het in kristaalvorm relatief weinig reactief, als het niet in aanraking met heel hoge temperaturen komt. Water en damp hebben waarschijnlijk ook weinig effect, omdat zich aan het oppervlak heel snel een beschermende laag van siliciumdioxide vormt.
Er zijn wel voorbeelden voor siliciumverbindingen die met water reageren. Zo hydroliseert siliciumtetrafluoride met water tot vloeizuur. Siliciumtetrachloride reageert zelfs heel heftig met water. Siliciden van de eerste en tweede groep zijn reactiever dan die van de overgangsmetalen. Typische producten zijn dan waterstof en/of silanen (bijvoorbeeld Na2Si + 3H2O -> Na2SiO3 + 3H2).
Siliciumverbindingen kunnen verschillend goed oplosbaar zijn.
Siliciumoxide is in water minder goed oplosbaar dan andere mineralen en vormt bij het oplossen het volgende evenwicht:
SiO2(s) + 2 H2O(l) <-> H4SiO4(s)
Deze balans bevat kiezelzuur, een zwakke zuur die ook bij de hydrolyse van siliciummineralen ontstaat:
H4SiO4(s) + H2O(l) <-> H3O+(aq) + H3SiO4-(aq)
Siliciumdioxide heeft een oplosbaarheid van 0,12 g/L, terwijl bijvoorbeeld siliciumcarbid in water onoplosbaar is.
Oplosbaarheid en waardoor deze beïnvloed kan worden Zoals boven uitgelegd, is silicium bestanddeel van veel mineralen, waaruit het bij verweringsprocessen vrijkomt. Ook bij vulkanische activiteiten onder water wordt het geëmitteerd. Het water in de tussenruimte van marine sedimenten bevat meer silicium dan de bovenste lagen zeewater. Door de aanwezige gradiënt stroomt het van het sediment naar het water. Ook bij antarctische verweringsprocessen komt silicium vrij. Aan de andere kant wordt wederom op natuurlijke manier silicium weer uit wateren verwijderd. Dit kan via de fixering door plankton in de zee, bezinking van sedimenten of de reactie van opgelost silicium met kleimineralen in de sedimenten (omgekeerde verwering) gebeuren.
Voor commercieel geproduceerd silicium wordt zand als uitgangsstof gebruikt. Ook mineralen als talk, mica, veldspaat, nefelien, olivijn, vermiculiet, perliet en kaolien bevatten silicium, evenals edelstenen zoals opaal of amethist.
De bouwindustrie verwerkt siliciumverbindingen in vorm van zand en cement, een calciumsilicaat. Ook de productie van glas en porselein is op zand gebaseerd.
Silicium wordt als hulpbron in de staal-, de chemische en de elektronindustrie gebruikt, waar het bij hoge temperaturen verwerkt wordt. Staal en andere legeringen worden dan uiteindelijk verwerkt tot bijvoorbeeld motorblokken of cilinderkoppen.
Industrieel belangrijke siliciumverbindingen zijn ook siliconen, rubber- of harsachtige stoffen, die bekend staan voor hun waterafwijzende eigenschappen en hun resistentie tegen oxidatieprocessen en chemische aantastingen. Zij worden als smeermiddelen bij hoge temperaturen, als verzegeling bijvoorbeeld om ramen, daken of pijpen, in rubberslangen en plasticonderdelen van bijvoorbeeld automotoren gebruikt. Bovendien worden zij in vorm van silicone-olies in cosmetica toegepast en bij het impregneren van textiel.
In microchips functioneert silicium als halfgeleider, net als in transistors en andere elektronische eenheden. Zonnepanelen bestaan uit n-halfgeleiders van silicium en arseen en p-halfgeleiders van silicium en boor. Bovendien komt het in elementaire vorm in optische lenzen en prisma’s voor infrarood licht voor.
Siliciumcarbid is bijna even hard als diamant en wordt als schuurmiddel gebruikt. Kwartskristalen die zowel in de natuur bestaan, als kunstmatig geproduceerd worden, hebben de eigenschap om in heel precieze frequenties te vibreren, als zij in aanraking met elektriciteit komen. Hiervan kan gebruik gemaakt worden in horloges, radio’s en televisies. Alkalisilicaten worden aan schoonmaakmiddelen, lijm en bleekmiddel voor textiel toegevoegd.
Direct effect op de waterkwaliteit hebben zeolieten, siliconen die als schuimregulatoren in wasmiddel ingezet worden. Andere siliciumverbindingen kunnen als adsorbens dienen.
Siliciumdioxide is voor een aantal organismen essentieel. Het is nog niet duidelijk op welke manier het in deze terechtkomt. Kiezelwieren, radiolarien en sponsdieren gebruiken het voor de opbouw van hun skelet en ook de kleine brandharen van bijvoorbeeld brandnetels bestaan uit deze verbinding. Kippen en ratten hebben silicium nodig voor de groei van hun botten. Waarschijnlijk is het element ook voor de mens essentieel waar het zich vooral in het bindweefsel en de huid bevindt.
Ook voor de groei van planten is silicium essentieel. Verschillende plantensoorten bevatten het element tot 200-62000 ppm (drogestofgehalte). Planten zoals paardenstaarten en bamboe hebben siliciumoxide in hun stelen en bladeren, waardoor zij meer stabiliteit krijgen.
Silicium geldt in water eigenlijk als ongevaarlijk, omdat het van nature in grote hoeveelheden in wateren te vinden is. Te hoge concentraties zouden eventueel de algengroei kunnen beperken. Een beschadiging van organismen die in water leven door zeoliet, een fosfaatvervanger in wasmiddel, is daarentegen wel mogelijk.
Silicium heeft drie natuurlijke isotopen die allemaal niet radioactief zijn. Inmiddels zijn er ook zeven instabiele isotopen.
De totale hoeveelheid silicium in het menselijke lichaam komt neer op ongeveer 1 g en neemt op latere leeftijd af. Men gaat ervan uit dat silicium ook voor de mens essentieel is, omdat dit voor een aantal organismen wel het geval is. Deze hebben het vooral nodig voor de groei van hun botten, terwijl het element bij de mens vooral in bindweefsel en huid voorkomt. De dagelijkse inname kan tussen de 20 en 1200 mg liggen, waarbij vooral granen veel silicium bevatten. Tekorten zijn niet bekend.
Alle natuurlijk voorkomende vormen van silicium, zand en silicaten, zijn ongiftig. Ook elementair silicium vertoont geen duidelijke werking. Te hoge concentraties aan oplosbare silicaten kunnen de fosforylering verstoren. Een aantal silicaten hebben bovendien een fiberachtige structuur en zijn kankerverwekkend, zoals bijvoorbeeld asbest. Fijn stof van siliciumverbindingen kan silicose veroorzaken, een typische beroepsziekte van bijvoorbeeld mijnwerkers of steenslijpers. De longblaasjes worden hard en minder elastisch. Het gevolg zijn kortademigheid, hijgen en hoesten. Dit gebeurt echter alleen door inhalatie van deze stoffen.
Borstimplantaten van silicone zijn verdacht autoimmuunziektes en zelfs kanker te veroorzaken. Wetenschappelijke bewijzen hiervoor ontbreken echter. In maagtabletten worden siliconen toegepast om kolieken en darmgassen te behandelen.
Een aantal siliciumverbindingen, zoals bijvoorbeeld silicium-halogeenverbindingen, hebben een invretende werking of zijn extreem toxisch, zoals een aantal organische siliciumverbindingen. Siliciumtetrachloride irriteert ogen, ademhalingsorganen en de huid.
In drinkwater is normaal vooral kiezelzuur te vinden die echter als onbedenkelijk geldt.
Silicium is in drinkwater vooral in vorm van kiezelzuur te vinden die uit redenen van gezondheid niet verwijderd hoeft te worden.
Siliciumverbindingen zelf kunnen in de waterbehandeling als adsorbens ingezet worden.
Literatuurverwijzingen
Terug naar het periodiek systeem der elementen
Terug naar de overzicht van elementen en water | | | | |
