»   »  Křemík

Křemík

český názevKřemík
latinský 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
hustota při teplotě tání [g cm-3]2,57
elektronegativita1,8
oxidační stavy-IV, II, IV
elektronová konfigurace[Ne]3s2 3p2
atomový poloměr [pm]111
kovalentní poloměr [pm]111
specifické teplo [J g-1K-1]0,71
slučovací teplo [kJ mol-1]50,55
tepelná vodivost [W m-1 K-1]149
elektrická vodivost [S m-1]4.102
1. ionizační potenciál [eV]8,1517
2. ionizační potenciál [eV]16,345
3. ionizační potenciál [eV]33,492
tvrdost podle Mohse6,5
modul pružnosti v tahu [GPa]47
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti a reakce

Chemický prvek křemík je modrošedá, křehká, značně tvrdá látka. Za vysokých teplot je křemík značně reaktivní prvek, který tvoří sloučeniny s 64 stabilními prvky periodické soustavy. 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 obvykle nestabilní a rychle se rozkládají.

Zapálen v atmosféře fluoru hoří na fluorid křemičitý SiF4, s chlorem se slučuje na chlorid křemičitý SiCl4 při teplotě od 350°C, s bromem i jodem reaguje za tvorby halogenidů SiX4 až od teploty 700°C. Všechny sloučeniny křemíku s halogeny jsou velmi těkavé, reaktivní a značně toxické.

Se sírou reaguje při teplotě 250°C za vzniku sulfidu křemičitého SiS2, při teplotě nad 700°C vzniká sulfid SiS. Se selenem a tellurem se přímo slučuje až při teplotách nad 800°C. S dusíkem se přímo slučuje na nitrid Si3N4 až při teplotě 1500°C.

V minerálních kyselinách se křemík nerozpouští. Dobře reaguje se směsí koncentrovaných kyselin fluorovodíkové a dusičné za vzniku komplexní kyseliny hexafluorokřemičité:

3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O

V přítomnosti silných oxidačních činidel reaguje obdobně se samotnou koncentrovanou kyselinou fluorovodíkovpu:

3Si + 18HF + 2KClO3 → 3H2[SiF6] + 2KCl + 6H2O
Si + 6HF + KNO3 → H2[SiF6] + 2KNO2 + 2H2O

S hydroxidy alkalických kovů reaguje křemík za vzniku křemičitanů a vodíku:

Si + 4NaOH → Na4SiO4 + 2H2

Při teplotě 400°C reaguje amorfní křemík s vodní párou za vzniku oxidu křemičitého SiO2:

Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

Již za laboratorní teploty prudce reaguje s halogenidy nitrosylu:

Si + 4(NO)Cl → SiCl4 + 4NO

Podobně jako uhlík je i křemík schopen tvořit řetězce - silany. Křemíkové řetězce jsou méně stabilní, než uhlíkové. Křemík, na rozdíl od uhlíku, není schopen v řetězcích tvořit dvojné a trojné vazby. Velmi stabilní řetězce naopak tvoří siloxany, pro které je charakteristická vazba Si-O-Si.

Výskyt 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). Uměle připraveno dalších sedm nestabilních izotopů křemíku.

Nejdůležitějším minerálem křemíku je křemen - SiO2. Křemík je po kyslíku druhý nejrozšířenější chemický prvek na Zemi. Obsah křemíku v zemské kůře je 26 % hmot.

Nejvyšší obsah křemíku ze všech nerostů (70,04 % Si) má moissanit SiC, celkem je známo přes 1400 minerálů s obsahem křemíku, nejčastěji se jedná o křemičitany - silikáty. Systematická mineralogie rozeznává 7 základních typů silikátů, které se liší podle způsobu vzájemné vazby tetraedů SiO4 - viz. minerály 9. třídy. Výskyt křemíku ve formě silicidů je vzácný, je známo pouze několik silicidů těžkých kovů, např. mavlyanovit Mn5Si3, xifengit Fe5Si3 nebo fersilicit FeSi, byl popsán i ojedinělý nález ryzího křemíku - sopka Tolbačik na Kamčatce v Rusku.

Křemík v potravinách

Pro lidský organismus má křemík nezastupitelný význam. Křemík příznivě ovlivňuje zabudovávání vápníku do kolagenové matrice, má kladný vliv na tvorbu kostí, pojivových tkání, nehtů, kůže a vlasů. Podporuje hojení ran, léčí záněty a posiluje imunitní systém. Tlumí škodlivý vliv hliníku a chrání před Alzheimerovou chorobou. Mezi potraviny s nejvyšším obsahem křemíku patří zejména obilniny, oves (3400 – 6300 mg/kg), ječmen (1400 – 2900 mg/kg) a pšenice (20 - 190 mg/kg), z živočišných potravin mají nejvyšší obsah křemíku vepřová játra (20 - 100 mg/kg). Nadměrný příjem křemíku z potravin může způsobovat tvorbu močových kamenů. Nedostatek křemíku ve stravě způsobuje zpomalení růstu, osteoporózu, vypadávání vlasů, lomivost nehtů. Doporučená denní dávka se pohybuje mezi 5 - 20 mg, u sportovců je doporučováno až 35 mg křemíku denně.

Výroba křemíku

Výroba křemíku pro metalurgické použití spočívá v redukci taveniny oxidu křemičitého SiO2 uhlíkem v elektrické obloukové peci při teplotě 2000°C za přítomnosti železa jako katalyzátoru. Termická redukce uhlíkem probíhá v několika stupních, průběh redukce oxidu křemičitého popisují rovnice:

SiO2 + C → SiO + CO
SiO + 2C → SiC + CO
2SiC + SiO2 → 3Si + 2CO

Výroba čistého křemíku pro výrobu polovodičů se provádí redukcí halogenidů křemíku pomocí hořčíku, zinku nebo hliníku. Pro výrobu polovodičů se křemík dále rafinuje na velmi vysokou čistotu za využití fyzikálních nebo chemických metod.

Rafinace křemíku pro výrobu polovodičů

Základní metodou chemické rafinace křemíku je Siemensův postup, který spočívá v působení chlorovodíku na surový křemík ve fluidním reaktoru za vzniku trichlorsilanu HSiCl3:

Si + 3HCl → HSiCl3 + H2

Těkavý trichlorsilan se po rafinaci destilací termicky rozkládá v redukčním prostředí při teplotě okolo 1100°C a posléze krystalizuje.

Dalším způsobem chemické rafinace křemíku je DuPontův postup, který spočívá v tepelném rozkladu chloridu křemičitého na vysoce čistém zinku při teplotě 950°C.

Posledním způsobem chemické rafinace křemíku je destilace trisilanu Si3H8. Mezi fyzikální metody rafinace křemíku patří zonální tavení křemíkových ingotů pomocí vysokofrekvenčního ohřevu. Obdobným způsobem se rafinuje také gallium, germanium nebo arsen.

Využití křemíku

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 solí chloru.

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, estery kyseliny křemičité nebo chlorsilany typu (R)3SiCl, slouží k výrobě hydrofobizačních prostředků. Hydrofobizace slouží ke snížení kapilárních sil změnou smáčecího úhlu, 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, gallium a selen.

Nezbytnou částí každé fotovoltaické solární elektrárny je měnič proudu, který vyrobenou elektrickou energii upravuje na parametry, vhodné pro její distribuci do rozvodné sítě. Fotovoltaika se v poslední době, vlivem nepromyšlené státní dotační politiky, stala jedním z nejrychleji se rozvíjejících odvětví získávání energie z obnovitelných zdrojů.

Zdroje

hliník ← křemík → fosfor