Kremík je jedným z najžiadanejších prvkov v technológii a priemysle. Vďačí za to svojim nezvyčajným vlastnostiam. Dnes existuje veľa rôznych zlúčenín tohto prvku, ktoré hrajú dôležitú úlohu pri syntéze a tvorbe technických produktov, riadu, skla, zariadení, stavebných a dokončovacích materiálov, šperkov a iných priemyselných odvetví.
Všeobecné vlastnosti kremíka
Ak vezmeme do úvahy pozíciu kremíka v periodickom systéme, môžeme povedať toto:
- Nachádza sa v skupine IV hlavnej podskupiny.
- Poradové číslo 14.
- Atómová hmotnosť 28, 086.
- Chemický symbol Si.
- Názov - kremík alebo latinsky - kremík.
- Elektronická konfigurácia vonkajšej vrstvy 4e:2e:8e.
Kryštálová mriežka kremíka je podobná mriežke diamantu. Atómy sa nachádzajú v uzloch, jeho typ je plošne centrovaný kubický. Avšak vzhľadom na väčšiu dĺžku väzby sú fyzikálne vlastnosti kremíka veľmi odlišné od vlastností alotropickej modifikácie uhlíka.
Fyzikálne a chemické vlastnosti
Sú dvealotropné modifikácie tohto prvku: amorfné a kryštalické. Sú si veľmi podobné. Avšak, rovnako ako u iných látok, hlavným rozdielom medzi nimi je kryštálová mriežka kremíka.
V tomto prípade sú obe modifikácie prášky rôznych farieb.
1. Kryštalický kremík je tmavosivý lesklý prášok podobný kovu. Jeho štruktúra zodpovedá diamantu, ale vlastnosti sú odlišné. Má:
- krehkosť;
- nízka tvrdosť;
- vlastnosti polovodičov;
- teplota topenia 14150C;
- 2,33 g/cm3;
- bod varu 27000C.
Jeho chemická aktivita je nízka v porovnaní s inou alotropnou formou.
2. Amorfný kremík - hnedo-hnedý prášok, má štruktúru vysoko neusporiadaného diamantu. Chemická aktivita je pomerne vysoká.
Vo všeobecnosti treba poznamenať, že kremík nerád reaguje. Aby reagoval, potrebujete teplotu aspoň 400-5000C. Za týchto podmienok vznikajú rôzne chemické zlúčeniny kremíka. Ako napríklad:
- oxides;
- halides;
- silicides;
- nitridy;
- borides;
- karbidy.
Možná interakcia kremíka s kyselinou dusičnou alebo zásadou, ktorá sa nazýva proces leptania. Organokremičité zlúčeniny sú rozšírené a dnes sa stávajú čoraz bežnejšími.
Byť v prírode
Kremík sa v prírode nachádza v pomerne významnom množstve. Z hľadiska prevalencie je na druhom mieste po kyslíku. Jeho hmotnostný podiel je asi 30%. Tento prvok obsahuje aj morská voda v približnej koncentrácii 3 mg/l. Preto nemožno povedať, že kremík je v prírode vzácny prvok.
Naopak, existuje veľa rôznych hornín a minerálov, v ktorých sa vyskytuje a z ktorých sa dá ťažiť. Najbežnejšie prírodné zlúčeniny kremíka sú nasledovné:
- Silica. Chemický vzorec je SiO2. Na jeho základe existuje pomerne široká škála foriem minerálov a hornín: piesok, pazúrik, živce, kremeň, horský krištáľ, ametyst, chalcedón, karneol, opál, jaspis a iné.
- Silikáty a hlinitokremičitany. Kaolín, živice, sľuda, soli kyseliny kremičitej, azbest, mastenec.
Kremík je teda v prírode široko rozšírený a jeho zlúčeniny sú medzi ľuďmi obľúbené a žiadané pre technické aplikácie.
Kremík a jeho zlúčeniny
Vzhľadom na to, že príslušný prvok nemôže existovať vo svojej čistej forme, preto sú dôležité jeho rôzne zlúčeniny. Z chemického hľadiska môže vykazovať tri oxidačné stavy: +2, +4, -4. Vychádzajúc z toho, ako aj zo svojej inertnosti, ale špeciálnej v štruktúre kryštálovej mriežky, tvorí tieto hlavné typy látok:
- binárne zlúčeniny s nekovmi (silán, karbid, nitrid, fosfid atď.;
- oxides;
- kremíkkyselina;
- kovové silikáty.
Pozrime sa bližšie na dôležitosť kremíka a jeho zlúčenín, ktoré sú medzi ľuďmi najbežnejšie a žiadané.
Oxidy kremíka
Existujú dva druhy tejto látky vyjadrené vzorcami:
- SiO;
- SiO2.
Najrozšírenejší je však oxid. V prírode existuje vo forme veľmi krásnych polodrahokamov:
- agate;
- chalcedony;
- opal;
- karneol;
- jaspis;
- ametyst;
- štrasový kameň.
Použitie kremíka v tejto forme našlo svoje uplatnenie pri výrobe šperkov. Neuveriteľne krásne zlaté a strieborné šperky sú vyrobené z týchto polodrahokamov a polodrahokamov.
Niekoľko ďalších variácií oxidu kremičitého:
- quartz;
- rieka a kremenný piesok;
- flint;
- živce.
Použitie kremíka v týchto typoch sa uplatňuje v stavebníctve, strojárstve, rádioelektronike, chemickom priemysle a metalurgii. Uvedené oxidy spolu patria k jedinej látke - silici.
Karbid kremíka a jeho aplikácie
Kremík a jeho zlúčeniny sú materiály budúcnosti a súčasnosti. Jedným z týchto materiálov je karborundum alebo karbid tohto prvku. Chemický vzorec SiC. Prirodzene sa vyskytuje ako minerál moissanit.
V čistej forme je zlúčenina uhlíka a kremíka krásnapriehľadné kryštály pripomínajúce diamantové štruktúry. Na technické účely sa však používajú látky zelenej a čiernej farby.
Hlavné vlastnosti tejto látky umožňujúce jej využitie v metalurgii, strojárstve, chemickom priemysle sú nasledovné:
- wide gap polovodič;
- veľmi vysoká pevnosť (7 na Mohsovej stupnici);
- odolný voči vysokej teplote;
- vynikajúci elektrický odpor a tepelná vodivosť.
Toto všetko umožňuje použiť karborundum ako brúsny materiál v metalurgii a chemickej syntéze. A tiež na jeho základe vyrábať širokospektrálne LED diódy, diely pre sklárske taviace pece, dýzy, baterky, šperky (moissanit je cenený viac ako kubický zirkón).
Silan a jeho význam
Vodíková zlúčenina kremíka sa nazýva silán a nemožno ju získať priamou syntézou z východiskových materiálov. Na jeho získanie sa používajú silicidy rôznych kovov, ktoré sa upravujú kyselinami. V dôsledku toho sa uvoľňuje plynný silán a vytvára sa kovová soľ.
Zaujímavé je, že príslušné spojenie sa nikdy nevytvára samostatne. Vždy ako výsledok reakcie sa získa zmes mono-, di- a trisilánu, v ktorej sú atómy kremíka prepojené do reťazcov.
Tieto zlúčeniny sú svojimi vlastnosťami silnými redukčnými činidlami. Zároveň sa sami ľahko oxidujú kyslíkom, niekedy s výbuchom. S halogénmi sú reakcie vždy prudké, s veľkou emisiouenergia.
Aplikácie silánov sú nasledovné:
- Reakcie organickej syntézy, pri ktorých vznikajú dôležité organokremičité zlúčeniny - silikóny, kaučuky, tmely, mazivá, emulzie a iné.
- Mikroelektronika (LCD monitory, integrované technické obvody atď.).
- Získanie ultračistého polysilikónu.
- Stomatológia s protetikou.
Význam silánov v modernom svete je teda vysoký.
Kyselina kremičitá a silikáty
Hydroxidom príslušného prvku sú rôzne kyseliny kremičité. Zvýraznenie:
- meta;
- ortho;
- polykremičité a iné kyseliny.
Všetky spájajú spoločné vlastnosti – extrémna nestabilita vo voľnom stave. Pod vplyvom teploty sa ľahko rozkladajú. Za normálnych podmienok neexistujú dlho, najskôr sa premenia na sól a potom na gél. Po vysušení sa takéto štruktúry nazývajú silikagély. Používajú sa ako adsorbenty vo filtroch.
Dôležité z hľadiska priemyslu sú soli kyselín kremičitých - kremičitany. Sú základom výroby látok, ako sú:
- sklo;
- concrete;
- cement;
- zeolit;
- kaolín;
- porcelain;
- fajáns;
- crystal;
- keramika.
Kremičitany alkalických kovov sú rozpustné, všetky ostatné nie. Preto sa kremičitan sodný a draselný nazýva tekuté sklo. Obyčajné kancelárske lepidlo - to je sodíksoľ kyseliny kremičitej.
Ale najzaujímavejšie zlúčeniny sú stále okuliare. Bez ohľadu na to, koľko variantov tejto látky vymysleli! Dnes dostávajú farebné, optické, matné možnosti. Sklo je pozoruhodné svojou nádherou a rozmanitosťou. Pridaním určitých oxidov kovov a nekovov do zmesi je možné vyrobiť širokú škálu typov skla. Niekedy dokonca rovnaké zloženie, ale iné percento zložiek vedie k rozdielom vo vlastnostiach látky. Príkladom je porcelán a fajansa, ktorých vzorec je SiO2AL2O3 K 2O.
Kremenné sklo je forma vysoko čistého produktu, ktorého zloženie je opísané ako oxid kremičitý.
Objavy zlúčenín kremíka
V priebehu posledných rokov výskumu bolo dokázané, že kremík a jeho zlúčeniny sú najdôležitejšími účastníkmi normálneho stavu živých organizmov. Pri nedostatku alebo nadbytku tohto prvku sa môžu vyskytnúť choroby ako:
- rakovina;
- tuberculosis;
- artritída;
- katarakta;
- lepra;
- dyzentéria;
- reumatizmus;
- hepatitída a iné.
S kvantitatívnym obsahom kremíka súvisí aj samotný proces starnutia. Početné experimenty na cicavcoch dokázali, že pri nedostatku prvku dochádza k infarktu, mŕtvici, rakovine a aktivuje sa vírus hepatitídy.
