Jedním z nejběžnějších prvků v přírodě je křemík neboli křemík. Tak široké rozšíření vypovídá o důležitosti a významu této látky. To rychle pochopili a přijali lidé, kteří se naučili správně používat křemík pro své vlastní účely. Jeho aplikace je založena na speciálních vlastnostech, o kterých si povíme později.
Křemík je chemický prvek
Pokud charakterizujeme daný prvek pozicí v periodickém systému, můžeme identifikovat následující důležité body:
- Pořadové číslo – 14.
- To období je třetí malé.
- Skupina – IV.
- Podskupina – hlavní.
- Struktura vnějšího elektronového obalu je vyjádřena vzorcem 3s23p2.
- Prvek křemík je označen chemickou značkou Si, která se vyslovuje jako „křemík“.
- Oxidační stavy, které vykazuje: -4; +2; +4.
- Valence atomu je IV.
- Atomová hmotnost křemíku je 28,086.
- V přírodě existují tři stabilní izotopy tohoto prvku s hmotnostními čísly 28, 29 a 30.
Takže atomZ chemického hlediska je křemík dobře prozkoumaným prvkem, bylo popsáno mnoho jeho různých vlastností.
Historie objevů
Vzhledem k tomu, že jsou to různé sloučeniny uvažovaného prvku, které jsou v přírodě velmi oblíbené a svým obsahem masivní, lidé od pradávna používali a znali vlastnosti jen mnoha z nich. Čistý křemík po dlouhou dobu zůstával mimo lidské znalosti v chemii.
Nejoblíbenějšími sloučeninami používanými v každodenním životě a průmyslu národy starověkých kultur (Egypťané, Římané, Číňané, Rusové, Peršané a další) byly drahé a okrasné kameny na bázi oxidu křemičitého. Patří mezi ně:
- opal;
- rhinestone;
- topaz;
- chrysoprase;
- onyx;
- chalcedony a další.
Od starověku bylo také zvykem používat ve stavebnictví křemen a křemičitý písek. Samotný elementární křemík však zůstal až do 19. století neobjevený, přestože se jej mnozí vědci marně snažili izolovat od různých sloučenin pomocí katalyzátorů, vysokých teplot a dokonce i elektrického proudu. Jsou to bystré mysli jako:
- Karl Scheele;
- Gay-Lussac;
- Tenar;
- Humphry Davy;
- Antoine Lavoisier.
Jens Jacobs Berzelius dokázal v roce 1823 úspěšně získat čistý křemík. Za tímto účelem provedl experiment na fúzi par fluoridu křemíku a kovového draslíku. V důsledku toho získal amorfní modifikaci příslušného prvku. Tentýž vědec navrhl pro objevený atom latinský název.
O něco později, v roce 1855, se jinému vědci - Saint Clair-Deville - podařilo syntetizovat další alotropní odrůdu - krystalický křemík. Od té doby začaly znalosti o tomto prvku a jeho vlastnostech velmi rychle růst. Lidé si uvědomili, že má jedinečné funkce, které lze velmi inteligentně využít ke splnění vlastních potřeb. Proto je dnes jedním z nejžádanějších prvků v elektronice a technologii křemík. Jeho použití každým rokem pouze rozšiřuje jeho hranice.
Ruský název atomu dal vědec Hess v roce 1831. To je to, co se drží dodnes.
Obsaženo v přírodě
Křemík je po kyslíku druhý nejrozšířenější v přírodě. Jeho procento ve srovnání s ostatními atomy ve složení zemské kůry je 29,5 %. Kromě toho jsou uhlík a křemík dva speciální prvky, které mohou vytvářet řetězce vzájemným spojením. Proto je pro posledně jmenovaný známo více než 400 různých přírodních minerálů, ve kterých je obsažen v litosféře, hydrosféře a biomase.
Kde přesně se křemík nachází?
- V hlubokých vrstvách půdy.
- Ve skalách, nalezištích a masivech.
- Na dně vodních ploch, zejména moří a oceánů.
- V rostlinách a mořském životě živočišné říše.
- U lidí a suchozemských zvířat.
Je možné označit několik nejběžnějších minerálů a hornin, které obsahují velké množstvíkřemík. Jejich chemie je taková, že hmotnostní obsah čistého prvku v nich dosahuje 75%. Konkrétní údaj však závisí na typu materiálu. Takže horniny a minerály obsahující křemík:
- živce;
- slída;
- amfiboly;
- opals;
- chalcedony;
- silikáty;
- pískovce;
- hlinitosilikáty;
- jíly a další.
Křemík, který se hromadí ve skořápkách a vnějších kostrách mořských živočichů, vytváří na dně vodních ploch silná usazenina oxidu křemičitého. Toto je jeden z přirozených zdrojů tohoto prvku.
Navíc bylo zjištěno, že křemík může existovat ve své čisté nativní formě – ve formě krystalů. Ale taková ložiska jsou velmi vzácná.
Fyzikální vlastnosti křemíku
Pokud uvažovaný prvek charakterizujete souborem fyzikálních a chemických vlastností, pak by měly být uvedeny především fyzikální parametry. Zde je několik klíčových:
- Existuje ve formě dvou alotropních modifikací - amorfní a krystalické, které se liší ve všech vlastnostech.
- Krystalová mřížka je velmi podobná mřížce diamantu, protože uhlík a křemík jsou v tomto ohledu téměř stejné. Vzdálenost mezi atomy je však jiná (křemík má více), takže diamant je mnohem tvrdší a pevnější. Typ mřížky – krychlový plošný střed.
- Látka je velmi křehká, při vysokých teplotách se stává plastickou.
- Bod tání je 1415˚C.
- Teplotabod varu - 3250˚С.
- Hustota hmoty - 2,33 g/cm3.
- Barva spoje je stříbrošedá s charakteristickým kovovým leskem.
- Má dobré polovodičové vlastnosti, které se mohou lišit přidáním určitých činidel.
- Nerozpustný ve vodě, organických rozpouštědlech a kyselinách.
- Specificky rozpustný v alkáliích.
Určené fyzikální vlastnosti křemíku umožňují lidem jej ovládat a používat k vytváření různých produktů. Například použití čistého křemíku v elektronice je založeno na vlastnostech polovodivosti.
Chemické vlastnosti
Chemické vlastnosti křemíku jsou velmi závislé na reakčních podmínkách. Pokud mluvíme o čisté látce při standardních parametrech, pak musíme označit velmi nízkou aktivitu. Krystalický i amorfní křemík jsou velmi inertní. Neinteragujte se silnými oxidačními činidly (kromě fluoru) ani se silnými redukčními činidly.
To je způsobeno tím, že se na povrchu látky okamžitě vytvoří oxidový film SiO2, který zabraňuje dalším interakcím. Může vzniknout vlivem vody, vzduchu, par.
Pokud změníte standardní podmínky a zahřejete křemík na teplotu nad 400˚С, jeho chemická aktivita se výrazně zvýší. V tomto případě bude reagovat:
- kyslík;
- všechny druhy halogenů;
- vodík.
S dalším zvýšením teploty je možná tvorba produktů přiinterakce s borem, dusíkem a uhlíkem. Zvláštní význam má karborundum - SiC, protože je to dobrý abrazivní materiál.
Chemické vlastnosti křemíku jsou také jasně patrné při reakcích s kovy. Ve vztahu k nim se jedná o oxidační činidlo, proto se produkty nazývají silicidy. Podobné sloučeniny jsou známé pro:
- alkaline;
- alkalická země;
- přechodné kovy.
Neobvyklé vlastnosti má sloučenina získaná tavením železa a křemíku. Říká se jí ferosilikonová keramika a úspěšně se používá v průmyslu.
Křemík neinteraguje se složitými látkami, proto se ze všech jejich odrůd může rozpouštět pouze v:
- královská vodka (směs kyseliny dusičné a chlorovodíkové);
- žíravé alkálie.
V tomto případě by teplota roztoku měla být alespoň 60˚С. To vše opět potvrzuje fyzikální základ látky - diamantově stabilní krystalovou mřížku, která jí dodává pevnost a inertnost.
Metody získávání
Získání čistého křemíku je ekonomicky poměrně nákladný proces. Navíc díky svým vlastnostem poskytuje jakákoli metoda pouze 90-99% čistotu produktu, zatímco nečistoty ve formě kovů a uhlíku zůstávají stejné. Takže pouhé získání látky nestačí. Mělo by být také kvalitativně očištěno od cizích prvků.
Obecně se výroba křemíku provádí dvěma hlavními způsoby:
- Z bílého pískucož je čistý oxid křemíku SiO2. Při kalcinaci aktivními kovy (nejčastěji hořčíkem) vzniká volný prvek ve formě amorfní modifikace. Čistota této metody je vysoká, produkt se získá s 99,9% výtěžkem.
- V průmyslovém měřítku rozšířenější metodou je slinování roztaveného písku s koksem ve specializovaných tepelných pecích. Tuto metodu vyvinul ruský vědec Beketov N. N.
Další zpracování spočívá v podrobení produktů čisticím metodám. K tomu se používají kyseliny nebo halogeny (chlór, fluor).
Amorfní křemík
Charakterizace křemíku bude neúplná, pokud nebudeme uvažovat samostatně každou z jeho alotropických modifikací. První je amorfní. V tomto stavu je látka, o které uvažujeme, hnědohnědý prášek, jemně rozptýlený. Má vysoký stupeň hygroskopičnosti, při zahřívání vykazuje dostatečně vysokou chemickou aktivitu. Za standardních podmínek může interagovat pouze s nejsilnějším oxidačním činidlem - fluorem.
Není zcela správné nazývat amorfní křemík odrůdou krystalického křemíku. Jeho mřížka ukazuje, že tato látka je pouze formou jemně rozptýleného křemíku, který existuje ve formě krystalů. Proto jsou tyto modifikace jako takové stejné sloučeniny.
Jejich vlastnosti se však liší, proto je zvykem mluvit o alotropii. Sám o sobě má amorfní křemíkvysoká schopnost absorpce světla. Navíc za určitých podmínek je tento indikátor několikrát vyšší než u krystalické formy. Proto se používá pro technické účely. V uvažované formě (prášek) se sloučenina snadno aplikuje na jakýkoli povrch, ať už je to plast nebo sklo. Proto je to amorfní křemík, který je tak vhodný pro použití. Aplikace je založena na výrobě solárních panelů různých velikostí.
Opotřebení tohoto typu baterií je sice poměrně rychlé, což je spojeno s otěrem tenkého filmu hmoty, nicméně použití a poptávka jen roste. I při krátké životnosti jsou solární články na bázi amorfního křemíku schopny dodávat energii celým podnikům. Výroba takové látky je navíc bezodpadová, díky čemuž je velmi ekonomická.
Získejte tuto modifikaci redukcí sloučenin s aktivními kovy, jako je sodík nebo hořčík.
Krystalický křemík
Stříbrně šedá lesklá úprava příslušného prvku. Právě tato forma je nejčastější a nejžádanější. To je způsobeno souborem kvalitativních vlastností, které tato látka má.
Charakteristika křemíku s krystalovou mřížkou zahrnuje klasifikaci jeho typů, protože jich je několik:
- Elektronická kvalita – nejčistší a nejvyšší kvalita. Právě tento typ se používá v elektronice k vytváření zvláště citlivých zařízení.
- Slunečná kvalita. Samotné jménovymezuje oblast použití. Jde také o vysoce čistý křemík, jehož použití je nezbytné pro vytvoření kvalitních solárních článků s dlouhou životností. Fotovoltaické měniče vytvořené na bázi krystalické struktury jsou kvalitnější a odolnější než ty vytvořené amorfní modifikací depozicí na různé typy substrátů.
- Technický křemík. Tato odrůda zahrnuje vzorky látky, které obsahují asi 98 % čistého prvku. Všechno ostatní jde do různých druhů nečistot:
- bor;
- hliník;
- chlor;
- carbon;
- fosfor a další.
Poslední odrůda dotyčné látky se používá k získání křemíkových polykrystalů. K tomu se provádějí procesy rekrystalizace. V důsledku toho se z hlediska čistoty získávají produkty, které lze přiřadit do skupin solární a elektronické kvality.
Polysilikon je ze své podstaty meziproduktem mezi amorfní a krystalickou modifikací. S touto možností se lépe pracuje, lépe se recykluje a čistí fluorem a chlórem.
Výsledné produkty lze klasifikovat následovně:
- multicilicon;
- monokrystalické;
- profilované krystaly;
- silikonový šrot;
- technický křemík;
- výrobní odpad ve formě úlomků a úlomků hmoty.
Každý z nich nachází uplatnění v průmyslu a je využívánčlověk úplně. Proto jsou výrobní procesy zahrnující křemík považovány za bezodpadové. To výrazně snižuje jeho ekonomické náklady, aniž by to ovlivnilo kvalitu.
Použití čistého křemíku
Výroba křemíku v tomto průmyslu je zavedena docela dobře a její rozsah je poměrně objemný. To je způsobeno skutečností, že tento prvek, jak čistý, tak ve formě různých sloučenin, je rozšířený a žádaný v různých odvětvích vědy a techniky.
Kde se používá čistý krystalický a amorfní křemík?
- V metalurgii jako legovací přísada schopná měnit vlastnosti kovů a jejich slitin. Používá se tedy při tavení oceli a železa.
- K výrobě čistší verze se používají různé typy látek – polysilikon.
- Sloučeniny křemíku s organickými látkami – to je celý chemický průmysl, který si dnes získal zvláštní oblibu. Silikonové materiály se používají v lékařství, při výrobě nádobí, nástrojů a mnoho dalšího.
- Výroba různých solárních panelů. Tento způsob získávání energie je jedním z nejperspektivnějších do budoucna. Ekologické, nákladově efektivní a odolné – hlavní výhody takové výroby elektřiny.
- Křemík se v zapalovačích používá již velmi dlouhou dobu. Již v dávných dobách lidé používali pazourek k vytvoření jiskry při zapalování ohně. Tento princip je základem pro výrobu zapalovačů různých druhů. Dnes existují druhy, ve kterýchpazourek je nahrazen slitinou určitého složení, která poskytuje ještě rychlejší výsledek (jiskření).
- Elektronika a solární energie.
- Výroba zrcadel v plynových laserových zařízeních.
Čistý křemík má tedy mnoho výhodných a speciálních vlastností, které umožňují jeho použití k vytvoření důležitých a nezbytných produktů.
Aplikace sloučenin křemíku
Kromě jednoduché látky se používají také různé sloučeniny křemíku, a to velmi široce. Existuje celé průmyslové odvětví zvané silikát. Právě ona si zakládá na používání různých látek, mezi které patří tento úžasný prvek. Jaké jsou tyto sloučeniny a co produkují?
- Křemen nebo říční písek - SiO2. Používá se k výrobě stavebních a dekorativních materiálů, jako je cement a sklo. Kde se tyto materiály používají, každý ví. Žádná konstrukce není kompletní bez těchto součástí, což potvrzuje důležitost sloučenin křemíku.
- Silikátová keramika, která zahrnuje materiály jako fajáns, porcelán, cihly a výrobky na nich založené. Tyto komponenty se používají v lékařství, při výrobě nádobí, dekorativních ozdob, domácích potřeb, ve stavebnictví a dalších oblastech lidské činnosti v domácnosti.
- Silikonové sloučeniny - silikony, silikagely, silikonové oleje.
- Silikátové lepidlo - používá se jako papírnictví, v pyrotechnice a stavebnictví.
Křemík, jehož cena se na světovém trhu liší, ale nekřížíshora dolů, známka 100 rublů Ruské federace za kilogram (za krystalický), je vyhledávanou a cennou látkou. Sloučeniny tohoto prvku jsou přirozeně také rozšířené a použitelné.
Biologická role křemíku
Z hlediska významu pro tělo je důležitý křemík. Jeho obsah a distribuce v tkáních je následující:
- 0, 002 % – svalnatý;
- 0, 000017 % – kost;
- krev – 3,9 mg/l.
Každý den by se dovnitř měl dostat asi jeden gram křemíku, jinak se začnou rozvíjet nemoci. Nejsou mezi nimi žádné smrtící, ale dlouhodobé hladovění křemíkem vede k:
- vypadávání vlasů;
- vzhled akné a pupínků;
- křehkost a křehkost kostí;
- snadná kapilární propustnost;
- únava a bolesti hlavy;
- vznik četných modřin a modřin.
Pro rostliny je křemík důležitým stopovým prvkem nezbytným pro normální růst a vývoj. Pokusy na zvířatech ukázaly, že nejlépe rostou jedinci, kteří denně konzumují dostatek křemíku.
