Objav: Joseph Louis Gay-Lussac a Louis Jacques Thénard (1811)
Izolácia: Jöns Jacob Berzelius (1824)
Pomenoval: Thomas Thomson (chemist)
T. topenia
1414 °C
T. varu
3265 °C
Kľúčové vlastnosti
Atómová hmotnosť
28.085 u
Atómový polomer
110 pm
Hustota
2330 kg/m³
Elektronegativita
1.90
Ionizačná energia
786.5 kJ/mol
Elektrónová afinita
134.068 kJ/mol
Elektrónová konfigurácia
Výskyt v prírode
Zlúčeniny a minerály
Načítavajú sa molekulárne štruktúry...
Základná charakteristika
- V nečistej forme ho pravdepodobne pripravili Joseph Louis Gay-Lussac a Louis Jacques Thénard (1811); izoláciu čistého kremíka uskutočnil Jöns Jacob Berzelius v roku 1824.
- Je to polokov, vyskytujúci sa v kryštalickej (tvrdá, krehká látka s modrosivým leskom) a amorfnej forme.
- Je druhým najrozšírenejším prvkom v zemskej kôre (približne 27 % hmotnosti), hneď po kyslíku.
- Vyznačuje sa vysokou teplotou topenia (1414 °C) a varu.
- Chemicky je menej reaktívny ako uhlík; reaguje až pri vyšších teplotách.
- Nerozpúšťa sa vo väčšine kyselín (okrem zmesi HF a HNO₃), reaguje s roztokmi hydroxidov za vzniku kremičitanov a vodíka.
- Schopnosť katenácie (tvorby väzieb Si-Si) je výrazne menšia ako u uhlíka, avšak väzba Si-O je veľmi pevná.
- V prírode sa vyskytuje takmer výlučne vo forme zlúčenín, najmä ako oxid kremičitý (SiO₂) (napr. kremeň, piesok) a v kremičitanoch (silikátoch).
- V zlúčeninách má najčastejšie oxidačné číslo +IV (kremičitý), ale môže mať aj -IV (napr. v silicidoch).
- Je kľúčovým materiálom v polovodičovom priemysle (výroba tranzistorov, integrovaných obvodov - čipov, solárnych článkov).
- Používa sa pri výrobe zliatin (napr. ferosilícium na výrobu ocele, silumín - zliatina Al-Si).
- Je základom pre výrobu silikónov (polyméry s reťazcom Si-O), ktoré majú široké využitie (tmely, mazivá, implantáty).
Výroba kremíka link
Metalurgický kremík (čistota 98–99 %) sa vyrába redukciou SiO₂ uhlíkom v elektrickej oblúkovej peci (pozri všeobecnú sekciu o výrobe). Ak sa redukcia robí za prítomnosti železnej rudy, vzniká ferosilícium.
\( \ce{SiO2(s) + 2C(s) ->[\text{t}] Si(l) + 2CO(g)} \)
Polovodičový kremík (ultračistý >99,9999 %) sa získava zložitejším viacstupňovým procesom zahŕňajúcim premenu na prchavé chloridy (SiCl₄, SiHCl₃), ich frakčnú destiláciu a redukciu vodíkom.
\( \ce{SiCl4(g) + 2H2(g) ->[\text{t}] Si(s) + 4HCl(g)} \)
Finálne čistenie sa robí metódou zonálneho tavenia alebo Czochralského metódou (ťahanie monokryštálov).
Výskyt a významné zlúčeniny kremíka link
V prírode sa kremík vyskytuje len viazaný, najmä ako oxid kremičitý (SiO₂) a v kremičitanoch (silikátoch). Zemská kôra je tvorená až z 95 % oxidom kremičitým a kremičitanmi.
Kremík vo väčšine zlúčenín vystupuje v oxidačnom stave +IV. Tvorí predovšetkým kovalentné väzby, podobne ako uhlík, avšak väzby Si-Si sú podstatne slabšie a menej stabilné ako väzby C-C, čo obmedzuje jeho schopnosť katenácie (tvorby reťazcov). Naopak, väzba Si-O je mimoriadne pevná a stabilná, čo je základom existencie rozsiahlych štruktúr oxidu kremičitého a kremičitanov. V silicidoch s elektropozitívnymi kovmi môže mať aj záporné oxidačné číslo (formálne až -IV).
Chemická reaktivita elementárneho kremíka je nižšia ako uhlíka. Za bežnej teploty reaguje len s fluórom. Pri vyšších teplotách reaguje s kyslíkom (na SiO₂), halogénmi, sírou, dusíkom (na nitrid Si₃N₄), uhlíkom (na karbid SiC) a niektorými kovmi (tvorba silicidov). Nerozpúšťa sa v neoxidujúcich kyselinách a ani v koncentrovanej HNO₃ (pasivuje sa). Rozpúšťa sa v zmesi HF a HNO₃. Reaguje s roztokmi hydroxidov alkalických kovov za vzniku kremičitanov a uvoľnenia vodíka.
Oxid kremičitý link
Oxid kremičitý (SiO₂) je pevná, chemicky odolná látka s vysokou teplotou topenia. Vyskytuje sa v mnohých polymorfných modifikáciách (napr. α- a β-kremeň, tridymit, cristobalit), ktoré sa líšia usporiadaním tetraédrov [SiO₄] a sú stabilné pri rôznych teplotách a tlakoch. Najbežnejší je kremeň (α-kremeň stabilný do 573 °C). Čistý kremeň (krištáľ) je bezfarebný, prímesi spôsobujú rôzne zafarbenia: ametyst (fialový), citrín (žltý), záhneda (hnedý), ruženín (ružový). Rýchlym ochladením taveniny SiO₂ vzniká amorfný kremenné sklo, ktoré je ťažko taviteľné, odolné voči teplotným zmenám a prepúšťa UV žiarenie. Kremeň patrí medzi najodolnejšie minerály voči zvetrávaniu.
SiO₂ je kyslý oxid, reaguje s taveninami hydroxidov a uhličitanov (výroba skla) a s HF (leptanie skla).
\( \ce{SiO2(s) + 2NaOH(l) ->[\text{t}] Na2SiO3(l) + H2O(g)} \)
\( \ce{SiO2(s) + 4HF(aq) -> SiF4(g) + 2H2O(l)} \)
Použitie SiO₂: Piesok (zmes zŕn kremeňa a iných minerálov) sa používa v stavebníctve (omietky, betón), sklárstve, keramike, ako brúsny materiál. Čistý kremeň a kremenné sklo sa využívajú v optike, elektronike a pri výrobe laboratórneho skla. Silikagél (porézna forma SiO₂) slúži ako sušidlo a adsorbent. Aerogél je extrémne ľahká, pórovitá forma SiO₂ s vynikajúcimi tepelnoizolačnými vlastnosťami.
Kyseliny kremičité a kremičitany (silikáty) link
Jednoduchá kyselina kremičitá (H₄SiO₄) je nestabilná. Okyslením roztokov kremičitanov vznikajú hydratované formy SiO₂·nH₂O (gélovité), označované ako kyseliny kremičité, ktoré ľahko polymerizujú a kondenzujú. Sušením týchto gélov sa získava silikagél.
Kremičitany (silikáty) sú soli týchto kyselín a tvoria obrovskú a najrozšírenejšiu skupinu minerálov. Základnou stavebnou jednotkou je tetraéder [SiO₄]⁴⁻, ktoré sa spájajú cez spoločné vrcholy (atómy O) do rôznych štruktúr:
| Typ silikátu | Štruktúrna jednotka | Príklady minerálov (Vzorec) | Charakteristika |
|---|---|---|---|
| Nesosilikáty | Izolované tetraédre [SiO₄]⁴⁻ | Olivín ((Mg,Fe)₂SiO₄), Granáty | Tvrdé minerály, často v magmatických horninách. |
| Sorosilikáty | Dvojice tetraédrov [Si₂O₇]⁶⁻ | Epidot, Thortveitit (Sc₂Si₂O₇) | Menej časté. |
| Cyklosilikáty | Kruhy tetraédrov, napr. [Si₆O₁₈]¹²⁻ | Beryl (Be₃Al₂Si₆O₁₈) (odrody: smaragd, akvamarín), Turmalín | Často drahokamy. |
| Inosilikáty (reťazcové) | Jednoduché [SiO₃]n²ⁿ⁻ alebo dvojité reťazce [Si₄O₁₁]n⁶ⁿ⁻ | Pyroxény (napr. Augit), Amfiboly (napr. Hornblend, Azbesty) | Bežné horninotvorné minerály, často vláknitý alebo stĺpcovitý vzhľad. |
| Fylosilikáty (vrstevnaté) | Rovinné siete [Si₂O₅]n²ⁿ⁻ alebo [Si₄O₁₀]n⁴ⁿ⁻ | Mastenec (Mg₃(OH)₂(Si₄O₁₀)), Kaolinit (Al₂(OH)₄(Si₂O₅)), Sľudy (Muskovit, Biotit) | Vrstevnatá štruktúra, ľahká štiepateľnosť, mäkké. Ílové minerály. |
| Tektosilikáty (priestorové) | Trojrozmerná sieť tetraédrov SiO₂ | Kremeň (SiO₂), Živce (napr. ortoklas KAlSi₃O₈, plagioklasy), Zeolity | Najrozšírenejšie minerály zemskej kôry. |
Ak sú v štruktúre niektoré atómy Si nahradené atómami Al, vznikajú hlinitokremičitany (napr. živce, sľudy, zeolity, ílové minerály ako kaolinit a montmorillonit). Záporný náboj vzniknutý nahradením Si⁴⁺ za Al³⁺ je kompenzovaný katiónmi (Na⁺, K⁺, Ca²⁺...). Štruktúra silikátov ovplyvňuje ich vlastnosti (napr. vláknitý azbest, vrstevnatá sľuda). Používajú sa v stavebníctve (cement, íly), keramike (kaolín na porcelán), sklárstve. Zeolity (molekulové sitá) majú pórovitú štruktúru a používajú sa ako adsorbenty, ionomeniče a katalyzátory. Vodné sklo (roztok Na₂SiO₃) sa používa ako lepidlo a tmel.
Silikóny (Polysiloxány) link
Silikóny sú syntetické polyméry s kostrou (-Si-O-) a organickými skupinami na Si. Vznikajú hydrolýzou a kondenzáciou alkyl- alebo arylhalogénsilánov (napr. R₂SiCl₂). Majú vynikajúce vlastnosti (tepelná odolnosť, hydrofóbnosť, inertnosť). Používajú sa ako oleje, mazivá, tmely, živice, elastoméry (guma), v medicíne.
Halogenidy kremíka link
Kremík tvorí halogenidy typu SiX₄ (napr. SiF₄, SiCl₄). Sú to reaktívne kovalentné látky, ktoré prudko hydrolyzujú (okrem SiF₄).
\( \ce{SiCl4(l) + 2H2O(l) -> SiO2(s) + 4HCl(aq)} \)
SiCl₄ a SiHCl₃ sú medziprodukty pri výrobe čistého kremíka. Kremík tvorí aj komplexnú kyselinu hexafluorokremičitú H₂[SiF₆], ktorá existuje len v roztoku.
Ďalšie zlúčeniny kremíka link
Kremík tvorí aj sulfid kremičitý SiS₂ (reťazcová štruktúra), nitrid kremičitý Si₃N₄ (polymérna štruktúra, málo reaktívny) a silicidy (binárne zlúčeniny s kovmi, napr. Mg₂Si).
