Kremík

Výskyt a vlastnosti kremíka link

Kremík je po kyslíku druhým najrozšírenejším prvkom zemskej kôry (asi 27 % hmotnosti). V prírode sa vyskytuje len viazaný, najmä ako oxid kremičitý (kremeň, piesok) a v kremičitanoch, z ktorých je zložená väčšina hornín. Rastliny ho prijímajú z pôdy: spevňuje steblá tráv a prasličiek a z oxidu kremičitého sú schránky rozsievok.

Kryštalický kremík je tmavosivá, tvrdá a krehká látka s kovovým leskom a so štruktúrou podobnou diamantu. Je to polokov a polovodič. Chemicky je málo reaktívny. Za bežnej teploty reaguje len s fluórom, kyselinám odoláva (okrem zmesi kyseliny fluorovodíkovej a dusičnej) a v roztokoch hydroxidov sa rozpúšťa za vzniku kremičitanov a vodíka:

\( \ce{Si + 2 NaOH + H2O -> Na2SiO3 + 2 H2} \)

Kremík sa podobá na bór z 13. skupiny, hoci s ním nesusedí v tej istej skupine (diagonálna podobnosť). Oba sú polokovy, tvoria kyslé oxidy a ich zlúčeniny s vodíkom sú prchavé a na vzduchu samozápalné.

Výroba kremíka link

Technický kremík s čistotou 98–99 % sa vyrába redukciou oxidu kremičitého koksom v elektrickej oblúkovej peci:

\( \ce{SiO2 + 2 C ->[t] Si + 2 CO} \)

Elektronika potrebuje polovodičový kremík s čistotou nad 99,9999 %. Technický kremík sa preto premení na prchavý chlorid kremičitý, ten sa vyčistí destiláciou a redukuje vodíkom. Z vyčisteného kremíka sa potom ťahajú veľké monokryštály.

\( \ce{SiCl4 + 2 H2 ->[t] Si + 4 HCl} \)

Kremík ako polovodič link

Kremík je najdôležitejší polovodič. Na rozdiel od kovov jeho elektrická vodivosť so stúpajúcou teplotou rastie. Veľmi čistý kremík vedie prúd slabo, no už nepatrná prímes iného prvku, napríklad fosforu alebo bóru, jeho vodivosť mnohonásobne zvýši. Riadeným pridávaním prímesí (dopovaním) sa z kremíka vyrábajú diódy, tranzistory a integrované obvody, teda čipy v počítačoch a mobiloch, aj fotovoltické články, ktoré menia slnečné svetlo na elektrinu.

Oxid kremičitý link

Oxid kremičitý SiO₂ je tvrdá, chemicky odolná látka s vysokou teplotou topenia. Najčastejšie sa vyskytuje ako kremeň, hlavná zložka piesku. Čistý bezfarebný kremeň sa nazýva krištáľ, prímesi ho farbia – ametyst je fialový, záhneda hnedá a ruženín ružový. Rýchlym ochladením taveniny SiO₂ vzniká kremenné sklo, ktoré znesie prudké zmeny teploty a prepúšťa ultrafialové žiarenie.

SiO₂ je kyslý oxid. S vodou nereaguje, ale taveniny hydroxidov a uhličitanov ho premieňajú na kremičitany, na čom stojí výroba skla. Z kyselín ho rozpúšťa len kyselina fluorovodíková, preto sa ňou leptá sklo:

\( \ce{SiO2 + 4 HF -> SiF4 + 2 H2O} \)

Piesok sa používa v stavebníctve a v sklárstve. Silikagél, pórovitá forma SiO₂, pohlcuje vlhkosť, preto sa vrecúška s ním pribaľujú k obuvi a elektronike. Aerogél je veľmi ľahká pórovitá forma SiO₂ a výborný tepelný izolant.

Kyselina kremičitá a kremičitany link

Okyslením roztokov kremičitanov vzniká rôsolovitá kyselina kremičitá, ktorá postupne odštepuje vodu a polymerizuje; jej vysušením sa získava silikagél. Soli kyselín kremičitých sú kremičitany (silikáty). Ich základnou stavebnou jednotkou je tetraéder [SiO₄]⁴⁻, ktorý sa so susednými tetraédrami spája cez spoločné atómy kyslíka do reťazcov, vrstiev alebo priestorových sietí. Kremičitany sú najrozšírenejšie minerály a tvoria väčšinu hornín zemskej kôry.

Ak v štruktúre nahradí časť atómov kremíka hliník, vznikajú hlinitokremičitany. Patria k nim živce (napríklad ortoklas KAlSi₃O₈), sľudy a ílové minerály ako kaolinit, hlavná zložka kaolínu. Pórovité zeolity zachytávajú vo svojich dutinách ióny a molekuly, preto slúžia ako ionomeniče a molekulové sitá. Roztok kremičitanu sodného sa nazýva vodné sklo a používa sa ako lepidlo a tmel.

Vláknité kremičitany sa nazývajú azbest. Pre odolnosť voči teplu sa kedysi bežne používal v stavebníctve, dnes je zakázaný, lebo vdychované vlákna spôsobujú rakovinu pľúc a mezotelióm, nádor pohrudnice.

Silikóny link

Silikóny (polysiloxány) sú syntetické polyméry s reťazcom striedajúcich sa atómov kremíka a kyslíka, na ktoré sú naviazané organické skupiny. Sú tepelne odolné, odpudzujú vodu a sú chemicky stále. Používajú sa ako oleje a mazivá, tmely, gumy a izolačné hmoty, v kozmetike a v medicíne.

Sklo link

Sklo je amorfná tuhá látka, ktorá vzniká ochladením taveniny bez kryštalizácie. Bežné tabuľové a obalové sklo sa vyrába tavením zmesi kremenného piesku, sódy a vápenca pri teplote 1 400–1 500 °C. Pri tavení uniká oxid uhličitý. Zo sódy a kremenného piesku vzniká kremičitan sodný:

\( \ce{Na2CO3 + SiO2 ->[t] Na2SiO3 + CO2} \)

Z vápenca a kremenného piesku vzniká kremičitan vápenatý:

\( \ce{CaCO3 + SiO2 ->[t] CaSiO3 + CO2} \)

Zloženie obyčajného skla sa zjednodušene zapisuje ako Na₂O·CaO·6SiO₂. Zmenou surovín vznikajú iné druhy skla:

• draselné sklo – sóda sa nahradí potašou K₂CO₃, sklo je tvrdšie a lesklejšie
• olovnaté sklo (olovnatý krištáľ) – obsahuje najmenej 24 % oxidu olovnatého, silno láme svetlo, preto sa brúsi na ozdobné predmety
• borosilikátové sklo – obsahuje oxid boritý, znesie prudké zmeny teploty, preto sa z neho vyrába laboratórne a varné sklo
• kremenné sklo – čistý oxid kremičitý, prepúšťa ultrafialové žiarenie, ktoré bežné sklo pohlcuje. Preto sa z neho vyrábajú kyvety na meranie, koľko ultrafialového žiarenia pohltí roztok (spektrofotometria), a trubice germicídnych lámp na dezinfekciu.

Farebné sklo vzniká pridaním oxidov kovov, napríklad oxid kobaltnatý ho farbí na modro a zlúčeniny chrómu na zeleno.

Keramika a cement link

Keramika sa vyrába z ílov a kaolínu, ktorých hlavnou zložkou sú hlinitokremičitany. Vytvarovaná hmota sa vysuší a vypáli, pričom stvrdne. Z obyčajnej hliny sa pália tehly, škridly a hrnčiarske výrobky, zo zmesi kaolínu, živca a kremeňa pri teplote okolo 1 400 °C biely porcelán.

Cement sa vyrába pálením zmesi vápenca a ílu pri teplote okolo 1 450 °C. Vznikajú pri tom tvrdé spečené hrudky, ktoré sa nazývajú slinok. Tvoria ho najmä kremičitany a hlinitany vápenaté. Zomelie sa s prídavkom sadrovca a po zmiešaní s vodou postupne tvrdne aj pod vodou. Zmes cementu, piesku, štrku a vody je betón.