Krzem
1. Historia, czas odkrycia
Ten pólmetaliczny pierwiastek zostal odkryty w 1823r przez szwedzkiego chemika Jonsa Jakoba Berzeliusa, przez redukcje czterofluorku SiF4 metalicznym potasem.
2.Pochodzenie nazwy i symbolu
Łacinska nazwa pochodzi od łacinskiego słowa silex- krzemien, nazwa polska wywodzi sie od łacinskich słów lapis cremans-kamien dajacy ogien, krzemien.
3.Budowa atomu- skład izotopowy i wiązanie
Krzem jest pierwiastkiem chemicznym należącym do grupy IVA(węglowce) 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 wystepuje krzem-28 oraz niewielkie ilosci krzemu-29 i krzemu-30. Pozostale izotopy sa promieniotwórcze i wytworzone sztucznie.
IzotopRozpowszechnienie w przyrodzieOkres polowicznego zanikuTyp rozpadu24Si_____0,1msB+, p25Si_____220msB+, p26Si_____2,2sB+27Si_____4,14sB+28Si92,23%__________29Si4,67%__________30Si3,10%__________31Si_____2,62hB-32Si_____100 latB-33Si_____6,2sB-34Si_____2,8sB-
4.Rozpowszechnienie w przyrodzie
Majac wielkie powinowactwo do tlenu, krzem nie wystepuje w przyrodzie w stanie wolnym. Zwiazki krzemu sa natomiast bardzo rozpowszechnione i dominuja w swiecie mineralnym w postaci krzemianów, glównie glinokrzemianów. Najpospolitszym zwiazkiem nieorganicznym krzemu jest dwutlenek krzemu Sio2 wystepujacy w róznych postaciach (kwarc, krzemionka, krysztal górski, ametyst, agat, jaspis, chalcedon, trydymit, krystobalit itd.).
Po tlenie krzem jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem, stanowi 25,45% skorupy ziemskiej. Gdy pominie sie tlen, to tyle samo jest krzemu, co i wszystkich innych pierwiastków razem wzietych. Wolny krzem wydziela sie w postaci stalowoszarych, bardzo twardych, ale kruchych krysztalów albo jako brunatny proszek.
5.Otrzymywanie
. W skali laboratoryjnej mozna otrzymac krzem z krzemionki redukujac ja magnezem, w skali zas przemyslowej przez prazenie w piecu elektrycznym krzemionki, wegla i zelaza
6.Wlasciwosci fizyczne
Krzem jest ciemnoszara substancja krystaliczna o metalicznym polysku. Niekiedy wystepuje jako brunatny proszek - tzw. krzem bezpostaciowy. (Temperatura topnienia: 1423° C, temperatura wrzenia: powyzej 3000° C, gęstość: 2,33 g/cm3). Ma wlasnosci pólprzewodnikowe. Naturalny pierwiastek jest mieszanina trzech izotopów trwalych: 28Si, 29Si, 30Si.
7.Wlasciwosci chemiczne
Krzem jest pierwiastkiem czterowartosciowym, wystepuje na stopniu utlenienia +4 (najczesciej) i -4. Jest malo aktywny chemicznie. W temperaturze pokojowej reaguje z fluorem. Po ogrzaniu reaguje z tlenem, tworzac dwutlenek krzemu (krzemionke) SiO2 oraz z fluorowcami. SiO2 jest bezwodnikiem kwasu metakrzemowego H2SiO3*xH2O. Z wieloma metalami i niemetalami tworzy tzw. krzemki, np. Mg2Si, Ca2Si. Krzem nie ulega dzialaniu kwasów z wyjatkiem mieszaniny kwasu azotowego i fluorowodorowego -tworzy sie kwas fluorokrzemowy: 3Si+18HF+4HNO3=3H2[SiF6]+4NO+8H2O, który po ogrzaniu rozklada sie (H2[SiF6]=SiF4+2HF). Krzem rozpuszcza sie latwo w alkaliach: Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2. Sztucznie wytworzono zwiazki krzemu z wodorem, tzw. krzemowodory (albo silany), analogiczne do weglowodorów. Silany sa nietrwale i nie maja wiekszego znaczenia. Natomiast tzw. silikony, tworzywa krzemoorganiczne zawierajace tlen, znajduja zastosowanie praktyczne jako smary, lakiery itd.<O:P<
7.Najważniejsze związki krzemu:
Krzemiany - substancje krystaliczne bedace solami kwasów krzemowych (slabych kwasów o ogólnym wzorze xSiO 2 • yH2O). Elementem budowy wszystkich krzemianów sa tetraedry odpowiadajace grupie krzemotlenowej SiO4, w których krzem ma wzgledem tlenu liczbe koordynacyjna 4. W sieci przestrzennej krzemiany moga wystepowac jako proste (monomeryczne) jony [SiO4]4- (krzemiany wyspowe) lub polianiony (krzemiany grupowe, pierscieniowe, wstegowe, warstwowe i przestrzenne). Krzemiany sa zwiazkami trwalymi, nierozpuszczalnymi w wodzie (oprócz krzemianów litowców). Od przestrzennego ukladu tetraedrów krzemotlenowych zalezy sklad chemiczny i wlasciwosci krzemianów (np. twardosc, lupliwosc, wlasciwosci optyczne). W krystalicznej sieci krzemianów jony krzemu moga byc zastepowane innymi jonami, najczesciej jonami glinu (glinokrzemiany). Krzemiany litowców powstaja przez stapianie krzemionki z wodorotlenkami lub weglanami litowców. Krzemiany wystepuja w przyrodzie jako liczne mineraly skalotwórcze (naleza do glównych skladników skorupy ziemskiej). Krzemianami sa m.in.: oliwiny, pirokseny, amfibole, serpentyny, lyszczyki, chloryty, kaolin, montmorillonit. Krzemiany nierozpuszczalne w wodzie stanowia surowiec do produkcji materialów ceramicznych, cementu portlandzkiego oraz szkla. Roztwory wodne krzemianu sodu i potasu tworza tzw. szklo wodne.
Krzemki - dwuskladnikowe polaczenia krzemu z metalami, majace czesto charakter zwiazków miedzymetalicznych. Sa to substancje krystaliczne o polysku metalicznym, zwykle bardzo twarde, trudno topliwe, odporne na dzialanie wody i rozcienczonych kwasów. Pod dzialaniem mocnych kwasów tworza krzemowodory (silany). Otrzymywane sa przez stapianie metali z krzemem lub redukcje krzemianów weglem. Krzemek wapnia CaSi2 jest stosowany jako odtleniacz stali, krzemek molibdenu MoSi2 - do wyrobu oporowych elementów grzejnych do pieców elektrycznych. Krzemki, glównie metali szlachetnych (PtSi, IrSi) i lantanowców (m.in. TbSi) sa stosowane w technologii materialów mikroelektronicznych.
Krzemionka (SiO2) - zwiazek nieorganiczny; bezbarwne cialo stale, odporne na dzialanie czynników atmosferycznych, wody, kwasów (z wyjatkiem fluorowodorowego). Temperatura topnienia 1710°C. Krzemionka ma charakter bezwodnika kwasowego. Stapiany z wodorotlenkami lub weglanami litowców tworzy krzemiany. Syntetyczne krysztaly dwutlenku krzemu mozna otrzymac przez krystalizacje na krysztalach zarodnikowych, z przesyconych roztworów krzemianów. W przyrodzie bardzo rozpowszechniony - stanowi jeden z glównych skladników skorupy ziemskiej; wystepuje w postaci krystalicznych odmian polimorficznych, glównie jako: kwarc , trydymit, krystobalit oraz, w formie bezpostaciowej substancji mineralnej zawierajacej wode, jako opal. Dwutlenek krzemu stosuje sie do produkcji materialów ogniotrwalych, szkla, materialów budowlanych (np. cementu portlandzkiego, cegly silikatowej), a amorficzne warstwy dwutlenku krzemu (i krysztaly kwarcu) - w technologii materialów mikro- i optoelektronicznych (warstwy dielektryczne, swiatlowodowe). Dwutlenek krzemu jest tez skladnikiem wielu katalizatorów, sluzy równiez do otrzymywania krzemu i stopów (np. zelazokrzemu).
Weglik krzemu (SiC) - substancja krystaliczna, w stanie czystym bezbarwna, bardzo twarda (9,5-9,7 w skali 10-stopniowej Mohsa), odporna chemicznie na dzialanie wysokiej temperatury. Weglik krzemu jest pólprzewodnikiem. Techniczny weglik krzemu (tzw. karborund) ma zwykle barwe ciemna (zanieczyszczenie tlenkami metali), a otrzymywany w piecach elektrycznych z piasku kwarcowego i koksu (SiO2 + 3C = SiC + 2CO). Stosowany jest do wyrobu materialów sciernych, ogniotrwalych, elementów oporowych do pieców elektrycznych (tzw. sylit). Weglik krzemu otrzymywany syntetycznie jest stosowany w produkcji materialów opto- i mikroelektronicznych.
Zwiazki krzemoorganiczne - to zwiazki organiczne, których czasteczki zawieraja atom krzemu czterowartosciowego zwiazany z atomami wodoru, wegla, fluorowca, tlenu lub azotu. Do najwazniejszych grup zwiazków krzemoorganicznych naleza: krzemowodory , czyli silany (np. H3Si-SiH 3 silan); krzemoweglowodory, czyli alkilo- lub arylosilany, np. metylosilan CH3SiH3, tetrafenylosilan (C6H 5)4Si; fluorowcosilany, np. metylotrichlorosilan CH3SiCl3; silanole, np. silanol H3SiOH, trimetylosilanol (CH3)3SiOH; siloksany, np. heksametylodisiloksan (CH3)3SiOSi(CH3)3; estry sililowe, np. octan trimetylosililu (CH3)3SiOOCCH 3; sililoaminy, np. trisililoamina (H3Si)3 N. Wlasciwosci wymienionych grup zwiazków krzemoorganicznych sa podobne do wlasciwosci zwiazków wegla majacych analogiczne grupy funkcyjne. Wiazanie Si-Si ma mniejsza trwalosc niz wiazanie C-C, natomiast wiazanie Si-O ma wieksza trwalosc niz wiazanie C-O. W zwiazku z tym silany o rozgalezionych lancuchach krzemowych sa malo trwale, natomiast duza trwaloscia odznaczaja sie polimery silikonowe zawierajace lancuchy i siatki wiazan -Si-O-Si. Otrzymuje sie je w wyniku hydrolizy pochodnych dichloro- lub trichlorosilanów, np. gdzie R - alkil lub aryl. Wiele zwiazków krzemoorganicznych wykazuje aktywnosc biologiczna; niektóre odznaczaja sie duza toksycznoscia (zwykle dzialaja selektywnie) i bywaja wykorzystywane do zwalczania gryzoni. Polimery silikonowe sa stosowane do produkcji olejów, smarów, zywic, elastomerów.
Krzemien - jest to skala osadowa pochodzenia chemicznego lub biochemicznego skladajaca sie glównie z bardzo drobnoziarnistego kwarcu, chalcedonu, niekiedy tez opalu. Jako domieszki wystepuja: piryt, wodorotlenki zelaza, substancje bitumiczne, kalcyt. Zawartosc krzemionki w krzemieniu zwykle przekracza 90% masowych. Jest zazwyczaj czarny, brunatny lub szary, zbity, bardzo twardy; tworzy konkrecje (niekiedy skupienia warstwowe) glównie w wapieniach, marglach i opokach, zwlaszcza wieku kredowego i jurajskiego. W odróznieniu od czertów sa one ostro odgraniczone od skaly otaczajacej. W Polsce wystepuje na Wyzynie Krakowsko-Czestochowskiej i Lubelskiej. Wykorzystywane sa jako surowiec w przemysle ceramicznym i materialów sciernych. W czasach prehistorycznych uzywany do wyrobu broni i narzedzi, takze do krzesania ognia. Byl pierwszym surowcem, który pod koniec paleolitu zaczeto wydobywac sposobem górniczym (w Polsce kopalnie w Oronsku i w Krzemionkach).
8.Zastosowanie krzemu
Zastosowanie wolnego krzemu jest duzo skromniejsze, wzrasta jednak ostatnio równiez z powodu wielkiego powinowacstwa do tlenu ma krzem zastosowanie jako odtleniacz do stopów miedzi. Stosowany jest tez do stopów z zelazem, stala (ferrokrzem), glinem itd. Krzem polepsza ich wlasnosci mechaniczne i odpornosc na korozje. Technika fal krótkich stosuje detektory krzemowe. Z krzemu albo germanu wytwarza sie soczewki do promieni podczerwonych. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajduje krzem jako pólprzewodnik w tranzystorach. Do tego celu potrzebny jest krzem nadzwyczaj czysty. Niedawno opracowano specjalna technike oczyszczania krzemu, oparta na reakcji stopionego krzemu z para wodna i wodorem w obecnosci boru, który sie utlenia. W ten sposób uzyskuje sie bardzo czyste krysztaly krzemu: na 1mld krzemu przypada najwyzej 1 atom obcy. Stosowana jest tez tzw. metoda topienia strefowego polegajaca na tym, ze material, który chcemy oczyscic, topi sie odcinkami. Operacje powtarza sie wielokrotnie, zaczynajac topienie zawsze od tego samego miejsca ( np. od konca preta ). W ten sposób uzyskuje sie material wysoko oczyszczony; wyglada to tak, jakby zanieczyszczenia splynely, przesunely sie w jedno miejsce ( w drugi koniec preta ). Metoda ta opiera sie na fakcie, ze sklad substancji rózni sie od skladu fazy cieklej, podobnie jak przy oczyszczeniu przez krystalizacje lub destylacje. Metoda ta jest coraz czesciej stosowana w technice.
Najnowszym sukcesem (1961 ) sa tranzystory wykonane z wegliku krzemu SiC, czyli karborundu. Maja one te zalete, ze pracuja sprawnie jeszcze w temperaturze 3500 C; germanowe tranzystory wytrzymuja najwyzej temperature 950 C, krzemowe zas do 2000 C. Karborund uzywany jest równiez jako material szlifierski, poniewaz jest bardzo twardy. Z niego otrzymuje sie tez droga rozkladu czysty sztuczny grafit. Wolny krzem topi sie dopiero w 14130 C, a wrze w 26300C, jego gestosc równa sie 2,33 g/cm3.
Właściwości fizyczne. W zależności od sposobu otrzymywania 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, d=2,65g/cm3, tt<1470oC, tw=2230oC.
Właściwości chemiczne. Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym, występuje na stopniu utlenienia +4 (najczęściej) i -4. 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 H2SiO3*xH2O. 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: 3Si+18HF+4HNO3=3H2[SiF6]+4NO+8H2O, który po ogrzaniu rozkłada się (H2[SiF6]=SiF4+2HF). Krzem rozpuszcza się łatwo w alkaliach: Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2. Sztucznie wytworzono związki krzemu z wodorem, tzw. krzemowodory (albo silany), analogiczne do węglowodorów. Silany są nietrwałe i nie mają większego znaczenia. Natomiast tzw. silikony, tworzywa krzemoorganiczne zawierające tlen, znajdują zastosowanie praktyczne jako smary, lakiery itd.