Krzem
Podstawowe informacje: Ten półmetaliczny pierwiastek został odkryty w 1823r przez szwedzkiego chemika Jonsa Jakoba Berzeliusa, przez redukcje czterofluorku SiF4 metalicznym potasem. Łacińska nazwa pochodzi od łacińskiego słowa silex- krzemień, nazwa polska wywodzi się od łacińskich słów lapis cremans-kamień dający ogień, krzemień. Krzem jest pierwiastkiem chemicznym należącym do grupy IVA (czyli do węglowców) w układzie okresowym. Jego liczba atomowa to 14,masa atomowa 28,09.W jądrze atomu krzemu znajduje się 14 elektronów, 14 protonów i 14 neutronów. Konfiguracja elektronowa: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2
W przyrodzie występuje krzem-28 oraz niewielkie ilości krzemu-29 i krzemu-30. Pozostałe izotopy są promieniotwórcze i wytworzone sztucznie.
Właściwości:
a)fizyczne: Krzem wydziela się w postaci szarych, twardych i kruchych kryształów albo jako brunatny proszek, zwany krzemem bezpostaciowym. Obie odmiany mają tę samą strukturę krystalograficzną (typ diamentu), a różnią się wielkością kryształów.
b) chemiczne: Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym. Jest mało aktywny chemicznie. W temperaturze pokojowej reaguje z fluorem. Po ogrzaniu reaguje z tlenem, tworząc dwutlenek krzemu (krzemionkę) SiO2 oraz z fluorowcami. SiO2 jest bezwodnikiem kwasu metakrzemowego. Z wieloma metalami i niemetalami tworzy tzw. krzemki, np. Mg2Si, Ca2Si. Krzem nie ulega działaniu kwasów z wyjątkiem mieszaniny kwasu azotowego i fluorowodorowego -tworzy się kwas fluorokrzemowy, który po ogrzaniu rozkłada się. Krzem rozpuszcza się łatwo w alkaliach.
Otrzymywanie: W skali laboratoryjnej można otrzymać krzem z krzemionki redukując ja magnezem, w skali zaś przemysłowej przez prażenie w piecu elektrycznym krzemionki, węgla i żelaza.
Najważniejsze związki krzemu:
a) Krzemiany - substancje krystaliczne będące solami kwasów krzemowych. Elementem budowy wszystkich krzemianów sa tetraedry odpowiadające grupie krzemotlenowej SiO4, w których krzem ma względem tlenu liczbę koordynacyjna 4. W sieci przestrzennej krzemiany mogą występować jako proste (monomeryczne) jony [SiO4]4 lub polianiony (krzemiany grupowe, pierścieniowe, wstęgowe, warstwowe i przestrzenne). Krzemiany są związkami trwałymi, nierozpuszczalnymi w wodzie (oprócz krzemianów litowców). Od przestrzennego układu tetraedrów krzemotlenowych zależy skład chemiczny i właściwości krzemianów (np. twardość, łupliwość, właściwości optyczne). W krystalicznej sieci krzemianów jony krzemu mogą być zastępowane innymi jonami, najczęściej jonami glinu (glinokrzemiany). Krzemiany litowców powstają przez stapianie krzemionki z wodorotlenkami lub węglanami litowców. Krzemiany występują w przyrodzie jako liczne minerały skałotwórcze (należą do głównych składników skorupy ziemskiej). Krzemianami są m.in.: oliwiny, pirokseny, amfibole, serpentyny, łyszczyki, chloryty, kaolin, montmorillonit. Krzemiany nierozpuszczalne w wodzie stanowią surowiec do produkcji materiałów ceramicznych, cementu portlandzkiego oraz szkła. Roztwory wodne krzemianu sodu i potasu tworzą tzw. szkło wodne.
b) Krzemki - dwuskładnikowe połączenia krzemu z metalami, mające często charakter związków miedzymetalicznych. Są to substancje krystaliczne o połysku metalicznym, zwykle bardzo twarde, trudno topliwe, odporne na działanie wody i rozcieńczonych kwasów. Pod działaniem mocnych kwasów tworzą krzemowodory. Otrzymywane są przez stapianie metali z krzemem lub redukcje krzemianów węglem. Krzemek wapnia CaSi2 jest stosowany jako odtleniacz stali, krzemek molibdenu MoSi2 - do wyrobu oporowych elementów grzejnych do pieców elektrycznych. Krzemki, głównie metali szlachetnych (PtSi, IrSi) i lantanowców (m.in. TbSi) są stosowane w technologii materiałów mikroelektronicznych.
c) Krzemionka (SiO2) - związek nieorganiczny; bezbarwne ciało stale, odporne na działanie czynników atmosferycznych, wody, kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego). Temperatura topnienia 1710°C. Krzemionka ma charakter bezwodnika kwasowego. Stapiany z wodorotlenkami lub węglanami litowców tworzy krzemiany. Syntetyczne kryształy dwutlenku krzemu można otrzymać przez krystalizacje na kryształach zarodnikowych, z przesyconych roztworów krzemianów. W przyrodzie bardzo rozpowszechniony - stanowi jeden z głównych składników skorupy ziemskiej; występuje w postaci krystalicznych odmian polimorficznych, głównie jako: kwarc , trydymit, krystobalit oraz, w formie bezpostaciowej substancji mineralnej zawierającej wodę, jako opal. Dwutlenek krzemu stosuje się do produkcji materiałów ogniotrwałych, szkła, materiałów budowlanych (np. cementu portlandzkiego, cegły silikatowej), a amorficzne warstwy dwutlenku krzemu (i kryształy kwarcu) - w technologii materiałów mikro- i optoelektronicznych (warstwy dielektryczne, swiatłowodowe). Dwutlenek krzemu jest tez składnikiem wielu katalizatorów, służy również do otrzymywania krzemu i stopów (np. żelazokrzemu).
d) Krzemień - jest to skala osadowa pochodzenia chemicznego lub biochemicznego składającą się głównie z bardzo drobnoziarnistego kwarcu, chalcedonu, niekiedy tez opalu. Jako domieszki występują: piryt, wodorotlenki żelaza, substancje bitumiczne, kalcyt. Zawartość krzemionki w krzemieniu zwykle przekracza 90% masowych. Jest zazwyczaj czarny, brunatny lub szary, zbity, bardzo twardy; tworzy konkrecje (niekiedy skupienia warstwowe) głównie w wapieniach, marglach i opokach, zwłaszcza wieku kredowego i jurajskiego. W odróżnieniu od czertów są one ostro odgraniczone od skały otaczającej. W Polsce występuje na Wyżynie Krakowsko-Czestochowskiej i Lubelskiej. Wykorzystywane są jako surowiec w przemyśle ceramicznym i materiałów ściernych. W czasach prehistorycznych używany do wyrobu broni i narzędzi, także do krzesania ognia. Był pierwszym surowcem, który pod koniec paleolitu zaczęto wydobywać sposobem górniczym (w Polsce kopalnie w Oronsku i w Krzemionkach).
Zastosowanie krzemu: Zastosowanie wolnego krzemu jest dużo skromniejsze, wzrasta jednak ostatnio również z powodu wielkiego powinowacstwa do tlenu ma krzem zastosowanie jako odtleniacz do stopów miedzi. Stosowany jest tez do stopów z żelazem, stała, glinem itd. Krzem polepsza ich własności mechaniczne i odporność na korozje. Technika fal krótkich stosuje detektory krzemowe. Z krzemu albo germanu wytwarza się soczewki do promieni podczerwonych. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajduje krzem jako półprzewodnik w tranzystorach. Do tego celu potrzebny jest krzem nadzwyczaj czysty. Niedawno opracowano specjalna technikę oczyszczania krzemu, oparta na reakcji stopionego krzemu z para wodna i wodorem w obecności boru, który sie utlenia. W ten sposób uzyskuje się bardzo czyste kryształy krzemu: na 1mld krzemu przypada najwyżej 1 atom obcy. Stosowana jest tez tzw. metoda topienia strefowego polegającą na tym, ze materiał, który chcemy oczyścić, topi się odcinkami. Operacje powtarza się wielokrotnie, zaczynając topienie zawsze od tego samego miejsca ( np. od końca pręta). W ten sposób uzyskuje się materiał wysoko oczyszczony; wygląda to tak, jakby zanieczyszczenia spłynęły, przesunęły się w jedno miejsce ( w drugi koniec pręta). Metoda ta opiera się na fakcie, ze skład substancji różni się od składu fazy ciekłej, podobnie jak przy oczyszczeniu przez krystalizacje lub destylacje. Metoda ta jest coraz częściej stosowana w technice.