Kremík: použitie, chemické a fyzikálne vlastnosti

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 05:40

Jedným z najbežnejších prvkov v prírode je kremík alebo kremík. Takáto široká distribúcia hovorí o dôležitosti a význame tejto látky. Toto bolo rýchlo pochopené a prijaté ľuďmi, ktorí sa naučili, ako správne používať kremík pre svoje vlastné účely. Jeho aplikácia je založená na špeciálnych vlastnostiach, o ktorých si povieme neskôr.

Kremík je chemický prvok

Ak charakterizujeme daný prvok podľa pozície v periodickom systéme, môžeme identifikovať nasledujúce dôležité body:

1. Poradové číslo – 14.
2. To obdobie je tretie malé.
3. Skupina – IV.
4. Podskupina – hlavná.
5. Štruktúra vonkajšieho elektrónového obalu je vyjadrená vzorcom 3s²3p².
6. Prvok kremík je označený chemickým symbolom Si, ktorý sa vyslovuje ako „kremík“.
7. Oxidačné stavy, ktoré vykazuje: -4; +2; +4.
8. Valencia atómu je IV.
9. Atómová hmotnosť kremíka je 28,086.
10. V prírode existujú tri stabilné izotopy tohto prvku s hmotnostnými číslami 28, 29 a 30.

Takže atómZ chemického hľadiska je kremík dobre preštudovaný prvok, mnohé z jeho rôznych vlastností boli popísané.

História objavov

Vzhľadom na to, že sú to rôzne zlúčeniny uvažovaného prvku, ktoré sú v prírode veľmi obľúbené a ich obsah je masívny, ľudia odpradávna používali a vedeli o vlastnostiach len mnohých z nich. Čistý kremík zostal dlho mimo ľudských vedomostí v chémii.

Najobľúbenejšie zlúčeniny používané v každodennom živote a priemysle národmi starovekých kultúr (Egypťania, Rimania, Číňania, Rusi, Peržania a ďalší) boli drahé a ozdobné kamene na báze oxidu kremičitého. Patria sem:

• opal;
• rhinestone;
• topaz;
• chrysoprase;
• onyx;
• chalcedón a iné.

Od staroveku je tiež zvykom používať v stavebníctve kremeň a kremenný piesok. Samotný elementárny kremík však zostal až do 19. storočia neobjavený, hoci sa ho mnohí vedci márne pokúšali izolovať od rôznych zlúčenín pomocou katalyzátorov, vysokých teplôt a dokonca aj elektrického prúdu. Toto sú bystré mysle ako:

• Karl Scheele;
• Gay-Lussac;
• Tenar;
• Humphry Davy;
• Antoine Lavoisier.

Jens Jacobs Berzelius dokázal úspešne získať čistý kremík v roku 1823. Za týmto účelom uskutočnil experiment o fúzii pár fluoridu kremíka a kovového draslíka. V dôsledku toho dostal amorfnú modifikáciu predmetného prvku. Ten istý vedec navrhol pre objavený atóm latinský názov.

O niečo neskôr, v roku 1855, sa inému vedcovi - Saint Clair-Deville - podarilo syntetizovať ďalšiu alotropnú odrodu - kryštalický kremík. Odvtedy sa poznatky o tomto prvku a jeho vlastnostiach začali veľmi rýchlo rozširovať. Ľudia si uvedomili, že má jedinečné vlastnosti, ktoré sa dajú veľmi inteligentne využiť na uspokojenie vlastných potrieb. Preto je dnes jedným z najžiadanejších prvkov v elektronike a technike kremík. Jeho používanie len rozširuje jeho hranice každý rok.

Ruský názov pre atóm dal vedec Hess v roku 1831. To je to, čo sa drží dodnes.

Obsiahnuté v prírode

Kremík je po kyslíku druhý najrozšírenejší v prírode. Jeho percento v porovnaní s ostatnými atómami v zložení zemskej kôry je 29,5%. Okrem toho uhlík a kremík sú dva špeciálne prvky, ktoré môžu vytvárať reťazce vzájomným spojením. Preto je pre ten druhý známy viac ako 400 rôznych prírodných minerálov, v ktorých je obsiahnutý v litosfére, hydrosfére a biomase.

Kde presne sa nachádza kremík?

1. V hlbokých vrstvách pôdy.
2. V skalách, ložiskách a masívoch.
3. Na dne vodných plôch, najmä morí a oceánov.
4. V rastlinách a morskom živote živočíšnej ríše.
5. U ľudí a suchozemských zvierat.

Je možné označiť niekoľko najbežnejších minerálov a hornín, ktoré obsahujú veľké množstvokremík. Ich chémia je taká, že hmotnostný obsah čistého prvku v nich dosahuje 75%. Konkrétny údaj však závisí od druhu materiálu. Takže horniny a minerály obsahujúce kremík:

• živce;
• sľuda;
• amfiboly;
• opals;
• chalcedony;
• silikáty;
• pieskovce;
• hlinitosilikáty;
• hliny a iné.

Kremík, ktorý sa hromadí v schránkach a vonkajších kostrách morských živočíchov, nakoniec vytvára silné usadeniny oxidu kremičitého na dne vodných plôch. Toto je jeden z prírodných zdrojov tohto prvku.

Okrem toho sa zistilo, že kremík môže existovať vo svojej čistej natívnej forme – vo forme kryštálov. Takéto ložiská sú však veľmi zriedkavé.

Fyzikálne vlastnosti kremíka

Ak uvažovaný prvok charakterizujete súborom fyzikálnych a chemických vlastností, potom je potrebné uviesť predovšetkým fyzikálne parametre. Tu je niekoľko kľúčových:

1. Existuje vo forme dvoch alotropných modifikácií – amorfnej a kryštalickej, ktoré sa líšia vo všetkých vlastnostiach.
2. Kryštálová mriežka je veľmi podobná mriežke diamantu, pretože uhlík a kremík sú v tomto smere takmer rovnaké. Vzdialenosť medzi atómami je však iná (kremík má viac), takže diamant je oveľa tvrdší a pevnejší. Typ mriežky – kubický centrovaný na plochu.
3. Látka je veľmi krehká, pri vysokých teplotách sa stáva plastickou.
4. Teplota topenia je 1415˚C.
5. Teplotabod varu - 3250˚С.
6. Hustota hmoty – 2,33 g/cm³.
7. Farba spoja je strieborno-šedá s charakteristickým kovovým leskom.
8. Má dobré polovodičové vlastnosti, ktoré sa môžu meniť pridaním určitých činidiel.
9. Nerozpustný vo vode, organických rozpúšťadlách a kyselinách.
10. Špecificky rozpustný v zásadách.

Určené fyzikálne vlastnosti kremíka umožňujú ľuďom ho ovládať a používať na vytváranie rôznych produktov. Napríklad použitie čistého kremíka v elektronike je založené na vlastnostiach polovodivosti.

Chemické vlastnosti

Chemické vlastnosti kremíka sú veľmi závislé od reakčných podmienok. Ak hovoríme o čistej látke pri štandardných parametroch, potom musíme označiť veľmi nízku aktivitu. Kryštalický aj amorfný kremík sú veľmi inertné. Neinteragujte so silnými oxidačnými činidlami (okrem fluóru), ani so silnými redukčnými činidlami.

Je to spôsobené tým, že na povrchu látky sa okamžite vytvorí oxidový film SiO₂, ktorý zabraňuje ďalším interakciám. Môže sa vytvoriť pod vplyvom vody, vzduchu, pár.

Ak zmeníte štandardné podmienky a zahrejete kremík na teplotu vyššiu ako 400˚С, jeho chemická aktivita sa výrazne zvýši. V tomto prípade bude reagovať s:

• kyslík;
• všetky druhy halogénov;
• vodík.

Pri ďalšom zvýšení teploty je možná tvorba produktov priinterakcia s bórom, dusíkom a uhlíkom. Zvlášť dôležité je karborundum - SiC, pretože je to dobrý abrazívny materiál.

Chemické vlastnosti kremíka sú tiež jasne viditeľné pri reakciách s kovmi. Vo vzťahu k nim ide o oxidačné činidlo, preto sa produkty nazývajú silicidy. Podobné zlúčeniny sú známe pre:

• alkaline;
• alkalická zem;
• prechodné kovy.

Neobyčajné vlastnosti má zlúčenina získaná tavením železa a kremíka. Nazýva sa ferosilikónová keramika a úspešne sa používa v priemysle.

Kremík neinteraguje s komplexnými látkami, preto sa zo všetkých ich odrôd môže rozpustiť iba v:

• kráľovská vodka (zmes kyseliny dusičnej a chlorovodíkovej);
• žieravé alkálie.

V tomto prípade by teplota roztoku mala byť aspoň 60˚С. To všetko opäť potvrdzuje fyzikálny základ látky – diamantu podobnú stabilnú kryštálovú mriežku, ktorá jej dodáva pevnosť a inertnosť.

Spôsoby získania

Získanie čistého kremíka je ekonomicky pomerne nákladný proces. Navyše, vďaka svojim vlastnostiam, akákoľvek metóda poskytuje iba 90-99% čistý produkt, zatiaľ čo nečistoty vo forme kovov a uhlíka zostávajú rovnaké. Takže len získať látku nestačí. Malo by byť tiež kvalitatívne očistené od cudzích prvkov.

Vo všeobecnosti sa výroba kremíka vykonáva dvoma hlavnými spôsobmi:

1. Z bieleho pieskučo je čistý oxid kremičitý SiO₂. Pri kalcinácii aktívnymi kovmi (najčastejšie horčíkom) vzniká voľný prvok vo forme amorfnej modifikácie. Čistota tejto metódy je vysoká, produkt sa získa s 99,9 percentným výťažkom.
2. Rozšírenejšou metódou v priemyselnom meradle je spekanie roztaveného piesku s koksom v špecializovaných tepelných peciach. Túto metódu vyvinul ruský vedec Beketov N. N.

Ďalšie spracovanie spočíva v podrobení produktov čistiacim metódam. Na tento účel sa používajú kyseliny alebo halogény (chlór, fluór).

Amorfný kremík

Charakteristika kremíka bude neúplná, ak neuvažujeme oddelene každú z jeho alotropických modifikácií. Prvý je amorfný. V tomto stave je látka, o ktorej uvažujeme, hnedo-hnedý prášok, jemne rozptýlený. Má vysoký stupeň hygroskopickosti, pri zahrievaní vykazuje dostatočne vysokú chemickú aktivitu. Za štandardných podmienok môže interagovať iba s najsilnejším oxidačným činidlom - fluórom.

Nazývať amorfný kremík odrodou kryštalického kremíka nie je úplne správne. Jeho mriežka ukazuje, že táto látka je len formou jemne rozptýleného kremíka, ktorý existuje vo forme kryštálov. Preto sú tieto modifikácie rovnaké.

Ich vlastnosti sa však líšia, preto sa zvykne hovoriť o alotropii. Sám o sebe má amorfný kremíkvysoká schopnosť absorpcie svetla. Okrem toho je za určitých podmienok tento indikátor niekoľkonásobne vyšší ako v kryštalickej forme. Preto sa používa na technické účely. V uvažovanej forme (prášok) sa zlúčenina ľahko aplikuje na akýkoľvek povrch, či už je to plast alebo sklo. Preto je to amorfný kremík, ktorý je tak vhodný na použitie. Aplikácia je založená na výrobe solárnych panelov rôznych veľkostí.

Opotrebenie tohto typu batérií je síce pomerne rýchle, čo je spojené s odieraním tenkého filmu látky, no využitie a dopyt len rastie. Solárne články na báze amorfného kremíka sú totiž schopné aj pri krátkej životnosti dodať energiu celým podnikom. Výroba takejto látky je navyše bezodpadová, vďaka čomu je veľmi ekonomická.

Získajte túto modifikáciu redukciou zlúčenín s aktívnymi kovmi, ako je sodík alebo horčík.

Kryštáľový kremík

Striebrošedá lesklá úprava predmetného prvku. Práve táto forma je najbežnejšia a najžiadanejšia. Je to spôsobené súborom kvalitatívnych vlastností, ktoré táto látka má.

Charakteristika kremíka s kryštálovou mriežkou zahŕňa klasifikáciu jeho typov, pretože ich je niekoľko:

1. Elektronická kvalita – najčistejšia a najvyššia kvalita. Práve tento typ sa používa v elektronike na vytváranie obzvlášť citlivých zariadení.
2. Slnečná kvalita. Samotný názovdefinuje oblasť použitia. Ide tiež o vysoko čistý kremík, ktorého použitie je nevyhnutné na vytvorenie kvalitných solárnych článkov s dlhou životnosťou. Fotovoltické meniče vytvorené na báze kryštalickej štruktúry sú kvalitnejšie a odolnejšie ako tie, ktoré vznikli amorfnou modifikáciou nanášaním na rôzne typy substrátov.
3. Technický kremík. Táto odroda zahŕňa tie vzorky látky, ktoré obsahujú asi 98% čistého prvku. Všetko ostatné ide do rôznych druhov nečistôt:

• bór;
• hliník;
• chlór;
• carbon;
• fosfor a iné.

Posledná odroda predmetnej látky sa používa na získanie polykryštálov kremíka. Na tento účel sa uskutočňujú procesy rekryštalizácie. Výsledkom je, že pokiaľ ide o čistotu, získavajú sa produkty, ktoré možno zaradiť do skupín solárnej a elektronickej kvality.

Polykremík je prirodzene medziprodukt medzi amorfnou a kryštalickou modifikáciou. S touto možnosťou sa ľahšie pracuje, lepšie sa recykluje a čistí fluórom a chlórom.

Výsledné produkty možno klasifikovať takto:

• multicilicon;
• monocrystalline;
• profilované kryštály;
• silikónový šrot;
• technický kremík;
• výrobný odpad vo forme úlomkov a úlomkov hmoty.

Každý z nich nachádza uplatnenie v priemysle a využíva sačlovek úplne. Preto sa výrobné procesy zahŕňajúce kremík považujú za bezodpadové. To výrazne znižuje jeho ekonomické náklady bez ovplyvnenia kvality.

Používanie čistého kremíka

Výroba kremíka je v tomto odvetví celkom dobre zavedená a jej rozsah je pomerne rozsiahly. Dôvodom je skutočnosť, že tento prvok, čistý aj vo forme rôznych zlúčenín, je rozšírený a žiadaný v rôznych odvetviach vedy a techniky.

Kde sa používa čistý kryštalický a amorfný kremík?

1. V metalurgii ako legujúca prísada schopná meniť vlastnosti kovov a ich zliatin. Používa sa teda pri tavení ocele a železa.
2. Na výrobu čistejšej verzie sa používajú rôzne druhy látok – polysilikón.
3. Zlúčeniny kremíka s organickými látkami – to je celý chemický priemysel, ktorý si dnes získal mimoriadnu obľubu. Silikónové materiály sa používajú v medicíne, pri výrobe riadu, nástrojov a oveľa viac.
4. Výroba rôznych solárnych panelov. Tento spôsob získavania energie je jedným z najperspektívnejších do budúcnosti. Ekologické, nákladovo efektívne a odolné – hlavné výhody takejto výroby elektriny.
5. Kremík sa v zapaľovačoch používa už veľmi dlho. Už v staroveku ľudia používali pazúrik na vytvorenie iskry pri zapaľovaní ohňa. Tento princíp je základom pre výrobu zapaľovačov rôznych druhov. Dnes existujú druhy, v ktorýchpazúrik je nahradený zliatinou určitého zloženia, čo dáva ešte rýchlejší výsledok (iskrenie).
6. Elektronika a solárna energia.
7. Výroba zrkadiel v plynových laserových zariadeniach.

Čistý kremík má teda množstvo výhodných a špeciálnych vlastností, ktoré umožňujú jeho použitie pri vytváraní dôležitých a potrebných produktov.

Aplikácia zlúčenín kremíka

Okrem jednoduchej látky sa používajú aj rôzne zlúčeniny kremíka, a to veľmi široko. Existuje celé priemyselné odvetvie nazývané kremičitany. Práve ona si zakladá na používaní rôznych látok, medzi ktoré patrí tento úžasný prvok. Čo sú tieto zlúčeniny a čo produkujú?

1. Kremeň alebo riečny piesok – SiO₂. Používa sa na výrobu stavebných a dekoratívnych materiálov, ako je cement a sklo. Kde sa tieto materiály používajú, každý vie. Žiadna konštrukcia nie je úplná bez týchto komponentov, čo potvrdzuje dôležitosť zlúčenín kremíka.
2. Silikátová keramika, ktorá zahŕňa materiály ako fajansa, porcelán, tehly a výrobky na nich založené. Tieto komponenty sa používajú v medicíne, pri výrobe riadu, dekoratívnych ozdôb, domácich potrieb, v stavebníctve a iných oblastiach ľudskej činnosti v domácnosti.
3. Silikónové zlúčeniny - silikóny, silikagély, silikónové oleje.
4. Silikátové lepidlo - používa sa ako papiernictvo, v pyrotechnike a stavebníctve.

Kremík, ktorého cena sa na svetovom trhu líši, ale nekríži sazhora nadol, značka 100 rubľov Ruskej federácie za kilogram (za kryštalický), je vyhľadávanou a cennou látkou. Prirodzene, zlúčeniny tohto prvku sú tiež rozšírené a použiteľné.

Biologická úloha kremíka

Z hľadiska významu pre telo je kremík dôležitý. Jeho obsah a rozdelenie v tkanivách je nasledovné:

• 0, 002 % – svalnatý;
• 0, 000017 % – kosť;
• krv – 3,9 mg/l.

Každý deň by sa mal dovnútra dostať asi jeden gram kremíka, inak sa začnú rozvíjať choroby. Nie sú medzi nimi žiadni smrtiaci, avšak dlhodobé hladovanie kremíka vedie k:

• vypadávanie vlasov;
• vzhľad akné a pupienkov;
• krehkosť a krehkosť kostí;
• jednoduchá kapilárna priepustnosť;
• únava a bolesti hlavy;
• vznik mnohých modrín a modrín.

Pre rastliny je kremík dôležitým stopovým prvkom potrebným pre normálny rast a vývoj. Pokusy na zvieratách ukázali, že najlepšie rastú jednotlivci, ktorí denne konzumujú dostatok kremíka.