Křemík

Silicium, Si

český názevKřemík
mezinárodní názevSilicium
anglický názevSilicon
chemická značkaSi
protonové číslo14
relativní atomová hmotnost28,0855
perioda3
skupinaIV.A
zařazenípolokovy
rok objevu1822
objevitelJ. J. Berzelius
teplota tání [°C]1410
teplota varu [°C]3265
hustota [g cm-3]2,33
elektronegativita1,8
oxidační stavy2, 4
elektronová konfigurace[Ne]3s2 3p2
specifické teplo [J g-1K-1]0,71
slučovací teplo [kJ mol-1]50,55
skupenství za norm. podmíneks

Křemík je modrošedá, křehká, značně tvrdá látka. Křemík je značně reaktivní prvek, který tvoří sloučeniny s 64 stabilními prvky periodické soustavy.

Výskyt křemíku v přírodě

V přírodě se křemík vyskytuje výhradně ve sloučeninách, ve kterých vystupuje v oxidačním čísle IV, vzácně též II. Přírodní křemík je směsí 3 stabilních izotopů (92,2% izotopu 28, 4,7% křemíku 29 a 3,1% křemíku 30). Kromě stabilních izotopů bylo uměle připraveno dalších sedm nestabilních radioaktivních izotopů křemíku.

Nejdůležitějším minerálem křemíku je křemen - SiO2. Křemík je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře (26 % hmot.).

Chemické vlastnosti křemíku

Křemík se vyznačuje mimořádně vysokou afinitou ke kyslíku a je proto schopen redukovat některé kovy (např. chrom) z jejich oxidů.

Sloučeniny křemíku s kyslíkem jsou velmi stabilní, naopak sloučeniny křemíku s ostatními prvky jsou velmi nestabilní a rychle se rozkládají.

Sloučeniny křemíku s halogeny jsou velmi reaktivní a značně toxické.

V minerálních kyselinách, s výjimkou kyseliny fluorovodíkové, se křemík nerozpouští. Se zásadami reaguje křemík za vzniku křemičitanů.

Podobně jako uhlík je i křemík schopen tvořit řetezce. Křemíkové řetězce jsou méně stabilní, než uhlíkové. Křemík, na rozdíl od uhlíku, není schopen v řetezcích tvořit dvojné a trojné vazby.

Výroba a využití křemíku

Výroba velmi čistého křemíku pro výrobu polovodičů se provádí redukcí halogenidů křemíku pomocí hořčíku, zinku nebo hliníku.

Výroba křemíku pro metalurgické použití spočívá v redukci taveniny SiO2 uhlíkem v elektrické obloukové peci za přitomnosti železného katalyzátoru.

Největší využití nachází křemík ve formě svého oxidu při výrobě skla, porcelánu a stavebních hmot, zejména cementu.

Při výrobě cementu je důležitou veličinou poměr obsahu SiO2 k obsahu ostatních složek, který se nazývá silikátový modul cementu - Sm. Silikátový modul cementu nabývá hodnot 1 - 2,5 a podstatným způsobem ovlivňuje vlastnosti cementu, zejména rychlost tuhnutí.

Významné je využití amorfního oxidu křemičitého ve formě křemičitého úletu. Křemičitý úlet (mikrosilika, nanosilika) vzniká jako odpadní produkt řady metalurgických procesů. Jedná se o látku s velmi vysokým měrným povrchem (až 30 000 m2/kg).

Křemičitý úlet významným způsobem zvyšuje pevnost betonu. Beton s přídavkem mikrosiliky je také mnohem odolnější proti působení chloridových iontů. Výroba cementu a Druhy cementu jsou popsány v samostatných článcích na webu Moderní bydlení.

Důležitou sloučeninou je karbid křemíku SiC, který se v různých formách (slinovaný karbid křemíku, karbid křemíku infiltrovaný křemíkem), využívá k výrobě řezných a brusných materiálů a nalézá další využití v technické keramice.

Některé sloučeniny křemíku, např. siloxany a estery kyseliny křemičité, slouží k výrobě hydrofobizačních prostředků. Hydrofobizace slouží ke snížení kapilárních sil, hydrofobizovaný materiál pak do svých pórů méně nasává vodu.

Hydrofobizace se nejčastěji používá ve stavebnictví, výrobě stavebních hmot a v textilním průmyslu.

Velmi významné je využití čistého křemíku pro výrobu polovodičů. Volbou vhodných podmínek, je možné vyrobit monokrystalické, polykrystalické a amorfní fotovoltaické křemíkové články. Amorfní křemíkové FV články využívají zejména progresivní trubicové fotovoltaické panely.

Fotovoltaické elektrárny

Polovodičové vlastnosti křemíku se v poslední době nejvíce využívají při konstrukci fotovoltaických solárních elektráren. Fotovoltaické články, vyrobené z plochých nebo trubicových fotovoltaických modulů na křemíkovém základě, efektivně využívají fotovoltaický (fotoelektrický) jev. Základním principem práce fotovoltaické elektrárny je usměrnění toku volných elektronů, vzniklých při dopadu fotonu na polovodičový přechod P-N.

Progresivní fotovoltaické technologie od využití křemíku postupně odcházejí, moderní tenkovrstvé fotovoltaické články CIGS využívají P-N přechodu soustavy měd, indium, galium a selen.

Nezbytnou částí každé fotovoltaické solární eletkrárny je měnič proudu, který vyrobenou elektrickou energii upravuje na parametry, vhodné pro její distribuci do rozvodné sítě.

Fotovoltaika se v poslední době stala jedním z nejrychleji se rozvíjejících odvětví získávání energie z obnovitelných zdrojů.