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Der Förderverein des  Naturmuseums Dortmund beschafft Siliziumcarbid

zur Demonstration des Materials bei passenden Gelegenheiten

 

Was ist Siliziumcarbid ?

Siliziumcarbid SiC (auch Siliziumkarbid, Siliciumcarbid, Moissanit (Carborundum , Carborund))  ist eine zur Gruppe der Carbide gehörende chemische Verbindung aus den Elementen Silicium und Kohlenstoff. 

Carbide sind chemische Verbindungen aus einem Element (bei  Siliziumcarbid das Element Silizium) und Kohlenstoff (C).  Zu der Gruppe der Carbide zählen salzartige  Verbindungen (z. B. Calciumcarbid, (CaC2), Lithiumcarbid (Li2C2), Berylliumcarbid (Be2C), Magnesiumcarbid (Mg2C3),  Aluminiumcarbid (Al4C3)  und metallische Carbide. Metallische Carbide werden von den Elementen der 4.–6. Nebengruppe des Periodensystems gebildet (z.B. Titan, Tantal und Wolfram).

Im  Sprachgebrauch wird Carbid (oder auch Karbid)) oftmals  gleichgesetzt mit Calciumcarbid.  In Verbindung mit Wasser reagiert Calciumkarbid zu Acetylen. Acetylen kann vielfach angewandt  werden (siehe Calciumcarbid). Damit wurde (und wird?) auch schon mal Unsinn gemacht.

Findet man Siliziumcarbid in der Natur?

SiC. Silizium und Kohlenstoff.
Beide Elemente wurden bei der Bildung neuer Sterne nach dem Urknall in Fusionsprozessen gebildet, schwerere Elemente ab Nickel  in der Energie von Supernova- Explosionen.  Insgesamt 82 stabile Elemente. Aus diesen 82 Elementen bildete sich vor 4,3 Milliarden Jahren die Erde und entwickelte den Stand, den wir heute kennen; inklusive der Entwiklung der Evolution, die menschliche Entwicklung einbezogen. Und das war es, mehr stabile Elemente wird es nicht geben. Die Menschheit sollte vorsichtiger mit den Ressourcen umgehen.   

Die zwei Elemente Silizium und Kohlenstoff kommen die in der Anzahl der 82 stabilen Elementen unserer Erde vielfach vor.  Silizium ist nach Sauerstoff bezogen auf den Masseanteil das zweithäufigste Element.  Kohlenstoff besitzt  die Fähigkeit zur Bildung komplexer Moleküle und weist von allen chemischen Elementen die größte Vielfalt an chemischen Verbindungen auf. Diese Eigenschaft macht Kohlenstoff und seine Verbindungen zur Grundlage des Lebens auf der Erde.

Resultierend sollte man annehmen, daß Siliziumcarbid häufig natürlich kristallisiert zu finden ist. Wie zum Beispiel Siliziumdioxid.  Aber dies ist nicht der Fall!  Siliciumcarbid bildet sich bei Temperaturen von mehr  als ca. 2000 °C.  Solche Temperaturen treten  im unteren Erdmantel auf,  entsprechend ist in der Erde kristallisiertes natürliches SiC mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht in der Erdkruste zu finden.  Alternativ besteht die Möglichkeit,  dass Meteoriten das Mineral auf die Erde bringen.  Das ist tatsächlich der Fall. Im Mineralienatlas werden unter dem Stichwort Moussanite Fundorte genannt.  Seriös ist hier jedoch eigentlich nur der Fundort in der Schlucht des Diabolo-Kraters in der Wüste von Arizona. Hier stürzte vor 50000 Jahren ein großer Meteorit ab, dessen Kern tatsächlich SiC enthielt.Moissanit ist in der industriellen Anwendung ausschließlich ein künstlicher Edelstein. Die optischen Eigenschaften können die eines Diamanten übertreffen, so dass er sogar stärker zu schimmern und funkeln scheint als ein Diamant. Durch seine  Eigenschaften wurde Moissanit zu einem beliebten Diamantimitat unter Juwelierhändlern.

Silizium und Kohlenstoff sind in derselben Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente angeordnet,  daher besitzt Siliziumcarbid   ähnliche  Eigenschaften wie Diamant (reiner Kohlenstoff).  Siliciumcarbid ist selbst bei höheren Temperaturen  gegen Sauerstoff relativ oxidationsbeständig durch Bildung einer passivierenden Schicht aus Siliciumdioxid (SiO2, „passive Oxidation“). Interessant ist dadurch der farbliche Charakter des Siliziumkarbids.

Resumee: Siliziumcarbid wird für alle gebräuchlichen Anwendungen künstlich hergestellt 


Wie und wo wird Siliziumcarbid künstlich erzeugt

Hochreines Siliciumcarbid  ist farblos.  Technisches Siliciumcarbid ist schwarz (verursacht durch Aluminiumoxid Al2O3) bis dunkelgrün grün und nimmt mit zunehmender Reinheit Farbtöne bis flaschengrün an. 

Schwarz und schillernd: so sieht das von ESD-SIV bv für den Förderverein des Naturmuseums kostenlos bereit gestellte Siliziumcarbid aus. 



  

 
ESD-SIC bv stellt aus den Rohstoffen Sand und Petrolkoks Siliciumcarbid (SiC) her. Grundlage des Herstellungsprozesses ist das Acheson-Verfahren  (nach Edward Goodrich Acheson). 


Im Folgenden eine  Skizze des Produktionsprozesses  und ein kursiv geschriebener Text aus der Internetseite von ESD-SIC bv :   


Produktionsprozess


In einer endothermen Reaktion entsteht so hexagonales α-Siliciumcarbid.  Grundlage ist das Sand und Koks im richtigen Verhältnis zu Reaktionsmaterial vermischt werden Dieses Gemisch wird zu einem großen Haufen im Ofen aufgetürmt. In der Mitte dieses Ofens befindet sich ein Graphitkern, der als Stromleiter dient. Um die während des Produktionsprozesses freigesetzten Prozessgase aufzufangen, zu entschwefeln und zur Energieerzeugung wiederzuverwenden, wird der Ofen mit einer Kunststofffolie abgedeckt.

An den Graphitkern, der an einen Transformator angeschlossen wird, wird eine elektrische Spannung angelegt. Infolge des Widerstands steigt die Temperatur im Kern des aufgebauten Ofens auf ca. 2500 °C. Bei dieser Temperatur werden Sand und Koks zerlegt und entsteht das SiC-Kristall. Für das intensive Erhitzen des Ofens wird sehr viel Elektrizität benötigt, so dass der Prozess sehr energieintensiv ist.

Siliciumcarbid ist ein Stoff, der unter anderem als Scheuer- und Schleifmittel sowie als hitzebeständiger Werkstoff unter anderem für Dieselrußfilter und als Zusatzstoff für Gusseisen verwendet wird.


Natürlich gibt es eine Reihe weiterer Hersteller. Das Anwendungsgebiet des SiC ist sehr weitläufig.  bei Interesse lohnt sich eine ergänzende Recherche im Internet oder in der Fachliteratur.   Eine wesentliche Rolle wird SiC in der Elektromobilität übernehmen, siehe dazu eine Aussicht aus  next mobility news.


 


 


 


Letzte Änderung: 15.06.2020