Křemík a jeho sloučeniny. Křemík v přírodě. Aplikace křemíku

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 05:20

Křemík je jedním z nejžádanějších prvků v technologii a průmyslu. Vděčí za to svým neobvyklým vlastnostem. Dnes existuje mnoho různých sloučenin tohoto prvku, které hrají důležitou roli při syntéze a tvorbě technických produktů, nádobí, skla, zařízení, stavebních a dokončovacích materiálů, šperků a dalších průmyslových odvětví.

Obecné vlastnosti křemíku

Pokud vezmeme v úvahu pozici křemíku v periodickém systému, můžeme říci toto:

1. Nachází se ve skupině IV hlavní podskupiny.
2. Pořadové číslo 14.
3. Atomová hmotnost 28, 086.
4. Chemický symbol Si.
5. Název - křemík, nebo latinsky - silicium.
6. Elektronická konfigurace vnější vrstvy 4e:2e:8e.

Krystalová mřížka křemíku je podobná mřížce diamantu. Atomy jsou umístěny v uzlech, jeho typ je plošně centrovaný kubický. Vzhledem k delší délce vazby jsou však fyzikální vlastnosti křemíku velmi odlišné od vlastností alotropní modifikace uhlíku.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Jsou dvaalotropní modifikace tohoto prvku: amorfní a krystalické. Jsou si velmi podobné. Stejně jako u jiných látek je však hlavním rozdílem mezi nimi krystalická mřížka křemíku.

V tomto případě jsou obě modifikace prášky různých barev.

1. Krystalický křemík je tmavě šedý lesklý prášek podobný kovu. Jeho struktura odpovídá diamantu, ale vlastnosti jsou odlišné. Má:

• křehkost;
• nízká tvrdost;
• vlastnosti polovodičů;
• bod tání 1415⁰C;
• 2,33 g/cm³;
• bod varu 2700⁰C.

Jeho chemická aktivita je nízká ve srovnání s jinými alotropními formami.

2. Amorfní křemík - hnědohnědý prášek, má strukturu vysoce neuspořádaného diamantu. Chemická aktivita je poměrně vysoká.

Obecně je třeba poznamenat, že křemík nerad reaguje. Aby reagoval, potřebujete teplotu alespoň 400-500⁰C. Za těchto podmínek vznikají různé chemické sloučeniny křemíku. Například:

• oxides;
• halides;
• silicides;
• nitridy;
• borides;
• karbidy.

Možná interakce křemíku s kyselinou dusičnou nebo zásadou, která se nazývá proces leptání. Organokřemičité sloučeniny jsou rozšířené a dnes se stávají stále běžnějšími.

Být v přírodě

Křemík se v přírodě nachází v poměrně významném množství. Z hlediska prevalence je na druhém místě po kyslíku. Jeho hmotnostní podíl je asi 30 %. Mořská voda také obsahuje tento prvek v přibližné koncentraci 3 mg/l. Nelze tedy říci, že křemík je vzácný prvek v přírodě.

Naopak, existuje mnoho různých hornin a minerálů, ve kterých se vyskytuje a ze kterých se dá těžit. Nejběžnější přírodní sloučeniny křemíku jsou následující:

1. Křemík. Chemický vzorec je SiO₂. Existuje poměrně velké množství forem minerálů a hornin, které jsou na jeho základě založeny: písek, pazourek, živce, křemen, horský křišťál, ametyst, chalcedon, karneol, opál, jaspis a další.
2. Silikáty a hlinitokřemičitany. Kaolin, ionty, slída, soli kyseliny křemičité, azbest, mastek.

Křemík je tedy v přírodě široce rozšířen a jeho sloučeniny jsou populární a žádané mezi lidmi pro technické aplikace.

Křemík a jeho sloučeniny

Vzhledem k tomu, že dotyčný prvek nemůže existovat ve své čisté formě, jsou důležité jeho různé sloučeniny. Z chemického hlediska může vykazovat tři oxidační stavy: +2, +4, -4. Z toho, stejně jako ze své inertnosti, ale zvláštní ve struktuře krystalové mřížky, tvoří tyto hlavní typy látek:

• binární sloučeniny s nekovy (silan, karbid, nitrid, fosfid atd.;
• oxides;
• křemíkkyselina;
• kovové silikáty.

Pojďme se blíže podívat na význam křemíku a jeho sloučenin, které jsou nejrozšířenější a mezi lidmi žádané.

Oxidy křemíku

Existují dva druhy této látky, vyjádřené vzorcem:

• SiO;
• SiO₂.

Nejrozšířenější je však oxid. V přírodě existuje ve formě velmi krásných polodrahokamů:

• agate;
• chalcedony;
• opal;
• karneol;
• jaspis;
• ametyst;
• kamínek.

Použití křemíku v této podobě našlo své uplatnění při výrobě šperků. Neuvěřitelně krásné zlaté a stříbrné šperky jsou vyrobeny z těchto polodrahokamů a polodrahokamů.

Několik dalších variant oxidu křemičitého:

• quartz;
• řeka a křemenný písek;
• flint;
• živce.

Použití křemíku v těchto typech se uplatňuje ve stavebnictví, strojírenství, radioelektronice, chemickém průmyslu a metalurgii. Uvedené oxidy společně patří do jediné látky – oxidu křemičitého.

Karbid křemíku a jeho aplikace

Křemík a jeho sloučeniny jsou materiály budoucnosti a současnosti. Jedním z těchto materiálů je karborundum nebo karbid tohoto prvku. Chemický vzorec SiC. Vyskytuje se přirozeně jako minerál moissanit.

V čisté formě je sloučenina uhlíku a křemíku nádhernáprůhledné krystaly připomínající diamantové struktury. Pro technické účely se však používají látky zelené a černé barvy.

Hlavní vlastnosti této látky, umožňující její použití v metalurgii, strojírenství, chemickém průmyslu, jsou následující:

• polovodič se širokou mezerou;
• velmi vysoká pevnost (7 na Mohsově stupnici);
• odolné vysokým teplotám;
• vynikající elektrický odpor a tepelná vodivost.

To vše umožňuje použití karborunda jako abrazivního materiálu v metalurgii a chemické syntéze. A také na jeho základě vyrábět širokospektrální LED, díly sklářských tavicích pecí, trysky, hořáky, šperky (moissanit je ceněn více než kubická zirkonie).

Silan a jeho význam

Vodíková sloučenina křemíku se nazývá silan a nelze ji získat přímou syntézou z výchozích materiálů. K jeho získání se používají silicidy různých kovů, které se upravují kyselinami. V důsledku toho se uvolňuje plynný silan a tvoří se kovová sůl.

Zajímavé je, že dotyčné spojení se nikdy nevytváří samo. Vždy jako výsledek reakce se získá směs mono-, di- a trisilanu, ve které jsou atomy křemíku propojeny v řetězcích.

Tyto sloučeniny jsou svými vlastnostmi silnými redukčními činidly. Přitom se samy snadno oxidují kyslíkem, někdy až s explozí. S halogeny jsou reakce vždy prudké, s velkou emisíenergie.

Aplikace silanů jsou následující:

1. Reakce organické syntézy, které vedou ke vzniku důležitých organokřemičitých sloučenin - silikony, kaučuky, tmely, maziva, emulze a další.
2. Mikroelektronika (LCD monitory, integrované technické obvody atd.).
3. Získání ultračistého polysilikonu.
4. Stomatologie s protetikou.

Význam silanů v moderním světě je tedy vysoký.

Kyselina křemičitá a silikáty

Hydroxidem daného prvku jsou různé kyseliny křemičité. Zvýraznění:

• meta;
• ortho;
• polykřemičité a jiné kyseliny.

Všechny spojují společné vlastnosti - extrémní nestabilita ve volném stavu. Pod vlivem teploty se snadno rozkládají. Za normálních podmínek neexistují dlouho, mění se nejprve na sol a poté na gel. Po vysušení se takové struktury nazývají silikagely. Používají se jako adsorbenty ve filtrech.

Z průmyslového hlediska jsou důležité soli kyselin křemičitých - silikáty. Jsou základem výroby látek, jako jsou:

• sklo;
• beton;
• cement;
• zeolit;
• kaolin;
• porcelain;
• fajáns;
• crystal;
• keramika.

Křemičitany alkalických kovů jsou rozpustné, všechny ostatní ne. Proto se křemičitan sodný a draselný nazývá tekuté sklo. Obyčejné kancelářské lepidlo - to je sodíksůl kyseliny křemičité.

Nejzajímavějšími sloučeninami jsou však stále brýle. Bez ohledu na to, kolik variant této látky vymysleli! Dnes dostávají barevné, optické, matné možnosti. Sklo zaujme svou nádherou a rozmanitostí. Přidáním určitých oxidů kovů a nekovů do směsi lze vyrobit širokou škálu typů skla. Někdy dokonce stejné složení, ale jiné procento složek vede k rozdílu ve vlastnostech látky. Příkladem je porcelán a fajáns, jejichž vzorec je SiO₂AL₂O₃ K 2_O.

Křemenné sklo je forma vysoce čistého produktu, jehož složení je popsáno jako oxid křemičitý.

Objevy sloučenin křemíku

Během posledních několika let výzkumu bylo prokázáno, že křemík a jeho sloučeniny jsou nejdůležitějšími účastníky normálního stavu živých organismů. S nedostatkem nebo nadbytkem tohoto prvku se mohou objevit nemoci jako:

• rakovina;
• tuberculosis;
• artritida;
• katarakta;
• lepra;
• dyzentérie;
• reumatismus;
• hepatitida a další.

S kvantitativním obsahem křemíku souvisí i samotný proces stárnutí. Četné experimenty na savcích prokázaly, že při nedostatku prvku dochází k infarktu, mrtvici, rakovině a aktivuje se virus hepatitidy.