KŘEMÍK: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, ZÍSKÁVÁNÍ, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Křemíku je non - kovové a metaloidní současně prvek je reprezentován chemické značky Si. Jedná se o polovodič, který je nezbytnou součástí počítačů, kalkulaček, mobilních telefonů, solárních článků, diod atd.; Je to prakticky hlavní součást, která umožnila zřízení digitálního věku.

Křemík byl vždy přítomen v křemenu a křemičitanech, přičemž oba minerály tvoří asi 28% hmotnostních celé zemské kůry. Je tedy druhým nejhojnějším prvkem na povrchu Země a rozlehlost pouští a pláží nabízí perspektivu toho, jak je hojná.

Pouště jsou hojným přírodním zdrojem částic oxidu křemičitého nebo žuly a dalších minerálů. Zdroj: Pxhere.

Křemík patří do skupiny 14 periodické tabulky, stejně jako uhlík, umístěný pod ní. Proto je tento prvek považován za čtyřmocný metaloid; má čtyři valenční elektrony a teoreticky může ztratit všechny za vzniku kationtu Si ⁴⁺.

Jednou vlastností, kterou sdílí s uhlím, je jeho schopnost se spojit; to znamená, že jejich atomy jsou kovalentně spojeny, aby definovaly molekulární řetězce. Křemík může také tvořit své vlastní „uhlovodíky“, které se nazývají silany.

Převládajícími sloučeninami křemíku v přírodě jsou slavné křemičitany. Ve své čisté formě může vypadat jako monokrystalická, polykrystalická nebo amorfní pevná látka. Je to relativně inertní pevná látka, takže nepředstavuje značná rizika.

Dějiny

Křemíkový kámen

Křemík je možná jedním z prvků, který měl v historii lidstva největší vliv.

Tento prvek je protagonistou doby kamenné a také digitálního věku. Jeho počátky sahají až do doby, kdy civilizace kdysi pracovala s křemenem a vyráběla si vlastní brýle; A dnes je to hlavní součást počítačů, notebooků a chytrých telefonů.

Křemík byl prakticky kámen dvou jasně definovaných období v naší historii.

Izolace

Protože silika je tak hojná, jméno narozené z kamínkové skály, muselo obsahovat extrémně bohatý prvek v zemské kůře; toto bylo správné podezření Antoina Lavoisiera, který v roce 1787 selhal ve svých pokusech ho omezit od rzi.

Pozdnější, v 1808 Humphry Davy dělal jeho vlastní pokusy a dal elementu jeho křestní jméno: 'silicium', který překládal by se stal jako 'kámen kamínky'. To znamená, že křemík byl tehdy považován za kov kvůli své nedostatečné charakterizaci.

V roce 1811 se francouzským chemikům Joseph L. Gay-Lussac a Louis Jacques Thénard podařilo poprvé připravit amorfní křemík. Za tímto účelem reagovali na fluorid křemičitý s kovovým draslíkem. Získaný produkt však nevyčistili ani charakterizovali, a tak nedospěli k závěru, že se jedná o nový prvek křemíku.

Teprve roku 1823 švédský chemik Jacob Berzelius získal amorfní křemík dostatečné čistoty, aby ho rozeznal jako křemík; jméno dané v roce 1817 skotským chemikem Thomasem Thomsonem, když to považoval za nekovový prvek. Berzelius provedl reakci mezi fluorokřemičitanem draselným a roztaveným draslíkem za vzniku tohoto křemíku.

Krystalický křemík

Krystalický křemík poprvé připravil v roce 1854 francouzský chemik Henry Deville. Aby toho bylo dosaženo, Deville provedl elektrolýzu směsi hliníku a chloridů sodíku, čímž získal krystaly křemíku pokryté vrstvou silicidu hlinitého, kterou odstranil (zřejmě) jejich promytím vodou.

Fyzikální a chemické vlastnosti

Fyzický vzhled

Elementární křemík, který má kovový lesk, ale ve skutečnosti je to metaloid. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

Křemík ve své čisté nebo elementární formě sestává z šedavé nebo modro-černé pevné látky (horní obrázek), která, i když nejde o kov, má lesklé tváře, jako by to skutečně bylo.

Je to tvrdá, ale křehká pevná látka, která také vykazuje šupinatý povrch, pokud je vyrobena z polykrystalů. Amorfní křemík na druhé straně vypadá jako tmavě hnědá prášková pevná látka. Díky tomu je snadné identifikovat a rozlišit jeden typ křemíku (krystalický nebo polykrystalický) od jiného (amorfního).

Molární hmotnost

28,085 g / mol

Atomové číslo (Z)

14 (₁₄ Ano)

Bod tání

1414 ° C

Bod varu

3265 ° C

Hustota

- Při pokojové teplotě: 2,33 g / ml

-Vpravo při teplotě tání: 2,57 g / ml

Mějte na paměti, že tekutý křemík je hustší než pevný křemík; což znamená, že jeho krystaly budou vznášet se na stejné kapalné fázi, jako je tomu u systému led-voda. Vysvětlení je způsobeno skutečností, že interatomický prostor mezi atomy Si v krystalu je větší (méně hustý) než odpovídající prostor v kapalině (hustší).

Teplo fúze

50,21 kJ / mol

Odpařovací teplo

383 kJ / mol

Molární tepelná kapacita

19,789 J / (mol K)

Elektronegativita

1,90 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

-První: 786,5 kJ / mol

-Second: 1577,1 kJ / mol

-Third: 3231,6 kJ / mol

Atomové rádio

111 pm (měřeno na příslušných diamantových krystalech)

Tepelná vodivost

149 W / (m K)

Elektrický odpor

2,3 · 103 ³ Ω · m při 20 ° C

Mohsova tvrdost

6.5

Zřetězení

Atomy křemíku mají schopnost vytvářet jednoduché Si-Si vazby, které nakonec definují řetězec (Si-Si-Si…).

Tato vlastnost se také projevuje uhlíkem a sírou; Nicméně, sp ³ hybridizace křemíku jsou horší ve srovnání s dalšími dvěma prvky, a dále jejich 3p orbitaly jsou rozptýlené, takže přesah výsledného sp ³ orbitalů je slabší.

Průměrné energie kovalentních vazeb Si-Si a CC jsou 226 kJ / mol, respektive 356 kJ / mol. Proto jsou vazby Si-Si slabší. Z tohoto důvodu není křemík základním kamenem života (a ani síra). Ve skutečnosti je nejdelší řetězec nebo kostra, kterou může křemík tvořit, obvykle čtyřčlenný (Si ₄).

Oxidační čísla

Křemík může mít kterékoli z následujících oxidačních čísel, za předpokladu, že v každém z nich je existence iontů s příslušnými náboji: -4 (Si ^4-), -3 (Si ^3-), -2 (Si ^2-), -1 (Si ^-), +1 (Si ⁺), +2 (Si ²⁺), +3 (Si ³⁺) a +4 (Si ⁴⁺). Ze všech jsou nejdůležitější -4 a +4.

Například se předpokládá, -4 v silicidy (Mg ₂ Si nebo Mg ₂ ²⁺ Si ⁴); zatímco +4 odpovídá oxidu křemičitého (SiO ₂ nebo Si ⁴⁺ O ₂ ^2-).

Reaktivita

Křemík je ve vodě zcela nerozpustný, stejně jako silné kyseliny nebo zásady. Rozpouští se však v koncentrované směsi kyseliny dusičné a fluorovodíkové (HNO _3- HF). Podobně se rozpustí v horkém alkalickém roztoku a nastane následující chemická reakce:

Si (s) + 2NaOH (aq) + H ₂ O (l) => Na ₂ SiO ₃ (aq) + 2H ₂ (g)

Metakřemičitan sodná sůl, Na ₂ SiO ₃, je tvořen, když je křemík rozpustí v roztaveném uhličitanu sodného:

Si (s) + Na ₂ CO ₃ (l) => Na ₂ SiO ₃ (l) + C (S)

Při pokojové teplotě se nereaguje vůbec s kyslíkem, a to ani při teplotě 900 ° C, když se ochranná sklovitého vrstva SiO ₂ začne tvořit; a poté, při teplotě 1400 ° C, se křemíkové reaguje s dusíkem ve vzduchu, aby se vytvořila směs nitridů, SiN a Si ₃ N ₄.

Křemík také reaguje s kovy při vysokých teplotách za vzniku silicidů kovů:

2 mg (y) + Si (s) => Mg ₂ Si (s)

2Cu (s) + Si (s) => Cu ₂ Si (s)

Při pokojové teplotě reaguje výbušně a přímo s halogeny (neexistuje žádná vrstva SiO _{2, která} by ji chránila). Například máme formační reakci SiF ₄:

Si (s) + 2F ₂ (g) => SiF ₄ (g)

A i když je křemík nerozpustný ve vodě, reaguje s horkou párou horkě:

Si (s) + H ₂ O (g) => SiO ₂ (s) + 2 H ₂ (g)

Struktura a elektronická konfigurace

Krystalická struktura nebo jednotková buňka křemíku představovaná modelem sfér a tyčí. Zdroj: Benjah-bmm27

Obrázek nahoře ukazuje krychlovou strukturu zaměřenou na obličej (fcc), stejnou jako u diamantu, pro křemíkový krystal. Šedé koule odpovídají atomům Si, které, jak je vidět, jsou kovalentně vázány k sobě; navíc mají zase tetraedrická prostředí, která jsou reprodukována podél krystalu.

Křemíkový krystal je fcc, protože atom Si je pozorován na každé ze stran krychle (6 × 1/2). Stejně tak je ve vrcholech krychle osm atomů Si (8 × 1/8) a uvnitř jsou umístěny čtyři atomy (ty, které kolem nich ukazují dobře definovaný čtyřstěn, 4 × 1).

Každá buňka jednotky má celkem osm atomů křemíku (3 + 1 + 4, čísla uvedená v předchozím odstavci); charakteristika, která pomáhá vysvětlit jeho vysokou tvrdost a tuhost, protože čistý křemík je kovalentní krystal jako diamant.

Kovalentní charakter

Tento kovalentní charakter je způsoben skutečností, že stejně jako uhlík, křemík má podle své elektronické konfigurace čtyři valenční elektrony:

3s ² 3p ²

Pro spojení jsou čisté 3s a 2p orbitaly k ničemu. To je důvod, proč je atom vytvoří čtyři sp ³ hybridní orbitaly, se kterými se mohou tvořit čtyř Si-Si a kovalentní vazby, tímto způsobem, dokončení valenční oktet pro dva atomy křemíku.

Křemíkový krystal je pak vizualizován jako trojrozměrná, kovalentní mříž složená ze vzájemně propojené čtyřstěny.

Tato síť však není dokonalá, protože má defekty a hranice zrn, které oddělují a definují jeden krystal od druhého; a když jsou takové krystaly velmi malé a četné, mluví se o polykrystalické pevné látce, která je identifikována svým heterogenním leskem (podobný stříbrné mozaice nebo šupinatému povrchu).

Elektrická vodivost

Vazby Si-Si se svými dobře umístěnými elektrony se v zásadě liší od toho, co se očekává od kovu: moře elektronů „navlhčuje“ atomy; alespoň to tak je při pokojové teplotě.

Když se však teplota zvýší, křemík začne vést elektřinu, a tak se chová jako kov; to znamená, že se jedná o polovodičový metaloidní prvek.

Amorfní křemík

Silicon tetrahedra ne vždy přijmou strukturální vzorec, ale mohou být uspořádány narušujícím způsobem; a dokonce s atomy křemíku, jejichž hybridizace Zdá se, že není sp ³, ale sp ², což přispívá k dalšímu zvýšení stupně poruchy. Proto mluvíme o amorfním a nekrystalickém křemíku.

V amorfním křemíku existují elektronická volná místa, kde některé z jeho atomů mají orbitál s nepárovým elektronem. Díky tomu může být její pevná látka hydrogenována, což vede k tvorbě hydrogenovaného amorfního křemíku; to znamená, že má vazby Si-H, s nimiž jsou čtyřstěny dokončeny v neuspořádaných a libovolných pozicích.

Tato část je pak zakončena tím, že křemík může být přítomen ve třech druzích pevných látek (bez uvedení jejich stupně čistoty): krystalický, polykrystalický a amorfní.

Každá z nich má svůj vlastní výrobní postup nebo postup, jakož i své aplikace a kompromisy při rozhodování, který ze tří použít, znát jeho výhody a nevýhody.

Kde najít a získat

Krystaly křemene (křemene) jsou jedním z hlavních a nejneobyčejnějších minerálů, kde se nachází křemík. Zdroj: James St. John (https://www.flickr.com/photos/jsjgeology/22437758830)

Křemík je sedmým nejhojnějším prvkem ve vesmíru a druhým v zemské kůře, který také obohacuje zemský plášť svou rozsáhlou rodinou nerostů. Tento prvek se velmi dobře spojuje s kyslíkem a vytváří širokou škálu oxidů; mezi nimi, oxid křemičitý, SO ₂, a křemičitany (různorodého chemického složení).

Siliku lze vidět pouhým okem v pouštích a plážích, protože písek se skládá převážně ze SiO ₂. Na druhé straně se tento oxid může projevit v několika polymorfech, přičemž nejčastějším je: křemen, ametyst, achát, cristobalit, tripoli, coesit, stishovit a tridymit. Kromě toho se nachází v amorfních pevných látkách, jako je opál a křemelina.

Křemičitany jsou mezitím strukturálně a chemicky bohatší. Mezi silikátové minerály patří: azbest (bílý, hnědý a namodralý), živce, jíly, slídy, oliviny, hlinitokřemičitany, zeolity, obojživelníky a pyroxeny.

Prakticky všechny horniny jsou složeny z křemíku a kyslíku s jejich stabilními vazbami Si-O a jejich siliky a křemičitany smíchané s oxidy kovů a anorganickými látkami.

-Redukce oxidu křemičitého

Problémem získání křemíku je porušení uvedené vazby Si-O, pro které jsou zapotřebí speciální pece a dobrá redukční strategie. Surovinou pro tento proces je oxid křemičitý ve formě křemene, který se předtím mele, dokud se nejedná o jemný prášek.

Z tohoto mletého oxidu křemičitého lze připravit buď amorfní nebo polykrystalický křemík.

Amorfní křemík

V malém měřítku, prováděném v laboratoři a s příslušnými opatřeními, se oxid křemičitý smísí s hořečnatým práškem v kelímku a spálí se v nepřítomnosti vzduchu. Poté následuje následující reakce:

SiO ₂ (s) + Mg (s) => 2MgO (y) + Si (s)

Hořčík a jeho oxid se odstraní zředěným roztokem kyseliny chlorovodíkové. Poté byla zbývající pevná látka se nechá reagovat s kyselinou fluorovodíkovou, takže přebytečné SiO ₂ úpravy reakci; jinak, přebytek hořčíku podporuje tvorbu příslušného silicid, Mg ₂ Si, což je nežádoucí sloučeniny pro proces.

SiO ₂ je transformován do těkavé plynu SiF ₄, který se izoluje pro další chemické syntézy. Nakonec se amorfní křemíková hmota suší pod proudem vodíku.

Další podobný způsob získání amorfní křemík sestává z použití stejné SIF _4. vyrobeného dříve, nebo SiCl ₄ (dříve nabyté). Výpary těchto halogenidů křemíku jsou vedeny přes tekutý sodík v inertní atmosféře, takže k redukci plynu může dojít bez přítomnosti kyslíku:

SiCl ₄ (g) + 4NA (l) => Si (s) + 4NaCl (l)

Je zajímavé, že amorfní křemík se používá k výrobě energeticky účinných solárních panelů.

Krystalický křemík

Znovu od práškovaného oxidu křemičitého nebo křemene jsou odváděny do elektrické obloukové pece, kde reagují s koksem. Tímto způsobem redukční činidlo již není kovem, ale uhlíkovým materiálem vysoké čistoty:

SiO ₂ (s) + 2C (y) => Si (s) + 2CO (g)

Reakce rovněž vytváří karbid křemíku, SiC, který se neutralizuje přebytkem SiO ₂ (opět je křemen v přebytku):

2SiC (y) + SiO ₂ (S) => 3Si (y) + 2CO (g)

Dalším způsobem přípravy krystalického křemíku je použití hliníku jako redukčního činidla:

3SiO ₂ (s) + 4AL (l) => 3Si (y) + 2AL ₂ O ₃ (y)

A počínaje hexafluorurosilicate draselné soli, K ₂, je také reagovat s kovovým hliníkem, draslíkem produkovat stejný produkt:

K ₂ (l) + 4AL (l) => 3Si (y) + 6KF (l) + 4AlF ₃ (g)

Křemík se okamžitě rozpustí v roztaveném hliníku a když se systém ochladí, první krystalizuje a oddělí se od druhého; to znamená, že se vytvoří křemíkové krystaly, které vypadají šedavě.

Polykrystalický křemík

Na rozdíl od ostatních syntéz nebo produkcí, čímž se získá polykrystalického křemíku, se vychází silanu v plynné fázi, SiH ₄. Tento plyn je podroben pyrolýze nad 500 ° C takovým způsobem, že dochází k tepelnému rozkladu, a tak se z jeho počátečních výparů nanesou polykrystaly křemíku na polovodičový povrch.

Následující chemická rovnice ilustruje probíhající reakci:

SiH ₄ (g) => Si (s) + H ₂ (g)

Je zřejmé, že v komoře by neměl být žádný kyslík, protože by reagoval se SiH ₄:

SiH ₄ (g) + 2O ₂ (g) => SiO ₂ (s) + 2 H ₂ O (g)

A taková je spontánnost spalovací reakce, že k ní dochází rychle při pokojové teplotě s minimálním vystavením silanu vzduchu.

Další syntetický způsob výroby tohoto typu křemíku začíná z krystalického křemíku jako suroviny. Dělají to, aby reagoval s chlorovodíkem při teplotě kolem 300 ° C, takže se tak vytvoří trichlorsilan:

Si (s) + 3HCl (g) => SiCl ₃ H (g) + H ₂ (g)

A SiCl ₃ H reaguje při 1100 ° C a regeneruje křemík, ale nyní polykrystalický:

4SiCl ₃ H (g) => Si (s) + 3SiCl ₄ (g) + 2 H ₂ (g)

Stačí se podívat na rovnice a získat představu o práci a přísných výrobních parametrech, které je třeba vzít v úvahu.

Izotopy

Křemík se vyskytuje přirozeně a hlavně jako izotop ²⁸ Si, s hojností 92,23%.

Kromě toho existují dva další izotopy, které jsou stabilní, a proto nepodstoupí radioaktivní rozklad: ²⁹ Si, s hojností 4,67%; a ³⁰ Ano, s hojností 3,10%. ²⁸ Si je tak hojný, není divu, že atomová hmotnost křemíku je 28,084 u.

Křemík lze nalézt také v různých radioizotopech, mezi nimiž je ³¹ Si (t _1/2 = 2,62 hodiny) a ³² Si (t _1/2 = 153 let). Ostatní (²² Si - ⁴⁴ Si) mají velmi krátký nebo krátký t _1/2 (méně než stotiny sekundy).

Rizika

Čistý křemík je relativně inertní látkou, takže se obvykle nehromadí v žádném orgánu ani tkáni, pokud je jeho expozice nízká. V práškové formě může dráždit oči, způsobovat zalévání nebo zarudnutí, zatímco při dotyku může způsobit nepohodlí kůže, svědění a loupání.

Pokud je expozice velmi vysoká, může silikon poškodit plíce; ale bez následků, pokud množství není dostatečné k tomu, aby způsobilo udušení. To však není případ křemene, který je spojen s rakovinou plic a chorobami, jako je bronchitida a emfyzém.

Podobně je čistý křemík v přírodě velmi vzácný a jeho sloučeniny, tak hojné v zemské kůře, nepředstavují žádné riziko pro životní prostředí.

Nyní, pokud jde o organokřemík, mohou být tyto toxické; Ale protože je jich mnoho, záleží na tom, který z nich je zvažován, a také na dalších faktorech (reaktivita, pH, mechanismus účinku atd.).

Aplikace

Stavební průmysl

Křemíkové minerály tvoří „kámen“, se kterým jsou stavěny budovy, domy nebo památky. Například cementy, betony, štuky a palivové kameny sestávají z pevných směsí na bázi křemičitanů. Z tohoto přístupu si můžeme představit užitečnost tohoto prvku ve městech a v architektuře.

Sklo a keramika

Krystaly používané v optických zařízeních mohou být vyrobeny z oxidu křemičitého, ať už jako izolátory, vzorkové buňky, spektrofotometry, piezoelektrické krystaly nebo pouhé čočky.

Také, když je materiál připraven s více přísadami, nakonec se promění v amorfní pevnou látku, známou jako sklo; a hory písku jsou obvykle zdrojem křemene nebo křemene nezbytného pro jeho výrobu. Na druhé straně se ze silikátů vyrábějí keramické materiály a porcelány.

Propletené myšlenky, křemík je také přítomen v řemeslech a ozdobách.

Slitiny

Atomy křemíku mohou být soudržné a mísitelné s kovovou matricí, což z něj činí aditivum pro mnoho slitin nebo kovů; například ocel pro výrobu magnetických jader; bronzy pro výrobu telefonních kabelů; a hliník, při výrobě slitiny hliník-křemík určené pro lehké automobilové díly.

Proto jej lze nalézt nejen v „kameni“ budov, ale také v kovech jejich sloupů.

Vysoušedlo

Želatinové kuličky z oxidu křemičitého, používané jako vysoušedlo. Zdroj: Sušicí prostředky

Oxid křemičitý v gelové nebo amorfní formě umožňuje výrobu pevných látek, které působí jako vysoušedlo, zachycením molekul vody, které vstupují do kontejneru, a udržováním jeho vnitřku v suchu.

Elektronický průmysl

K výrobě solárních panelů se používají polykrystalický a amorfní křemík. Zdroj: Pxhere.

Křemíkové vrstvy různých tlouštěk a barev jsou součástí počítačových čipů, protože s jejich pevnými (krystalickými nebo amorfními) byly navrženy integrované obvody a solární články.

Být polovodič, včlení atomy s méně (Al, B, Ga) nebo více elektronů (P, As, Sb) přeměnit to na pon-polovodiče typu, příslušně. Spojením dvou silikonů, jedna n a druhá p, se vytvoří diody emitující světlo.

Silikonové polymery

Slavné silikonové lepidlo sestává z organického polymeru podporovaného stabilitou řetězců vazeb Si-O-Si… Jsou-li tyto řetězce velmi dlouhé, krátké nebo zesítěné, vlastnosti silikonového polymeru se mění, stejně jako jejich konečné aplikace..

Z jeho níže uvedených použití lze uvést:

- Lepidlo nebo lepidlo, nejen ke spojování papírů, ale stavebních bloků, kaučuků, skleněných panelů, hornin atd.

- Maziva v hydraulických brzdových systémech

- Posiluje barvy a zlepšuje jas a intenzitu jejich barev, přičemž jim umožňuje odolávat změnám teploty bez praskání nebo jídla

- Používají se jako vodoodpudivé spreje, které udržují některé povrchy nebo předměty suché

-Dávají produktům osobní hygieny (zubní pasty, šampony, gely, holicí krémy atd.) Pocit hedvábí

-Její povlaky chrání elektronické komponenty citlivých zařízení, jako jsou mikroprocesory, před teplem a vlhkostí

- Se silikonovými polymery bylo vyrobeno několik gumových kuliček, které se odrazí, jakmile dopadnou na podlahu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Křemík. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. MicroChemicals. (sf). Krystalografie křemíku. Obnoveno z: microchemicals.com
4. Lenntech BV (2019). Periodická tabulka: křemík. Obnoveno z: lenntech.com
5. Marques Miguel. (sf). Výskyt křemíku. Obnoveno z: nautilus.fis.uc.pt
6. Více Hemant. (5. listopadu 2017). Křemík. Obnoveno z: hemantmore.org.in
7. Pilgaard Michael. (22. srpna 2018). Křemík: Výskyt, izolace a syntéza. Obnoveno z: pilgaardelements.com
8. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta o křemíkovém prvku. Chemicool. Obnoveno z: chemicool.com
9. Christiana Honsberg a Stuart Bowden. (2019). Soubor zdrojů pro fotovoltaického pedagoga. PVedukce. Obnoveno z: pveducation.org
10. American Chemistry Council, Inc. (2019). Silikony v každodenním životě. Obnoveno z: sehsc.americanchemistry.com