chemie.gfxs.cz - Chemický vzdělávací portál

Chemie.gfxs.cz – chemický vzdělávací portál

úvodní stránka

protonové číslo	14
relativní atomová hmotnost	28.09
elektronegativita	1.7
elektronová konfigurace	[Ne]3s²3p²
hustota (g·cm^-3)	2.34
teplota tání (°C)	1420.0
teplota varu (°C)	3280.0

Křemík (₁₄Si)

historie

volný křemík připravil J. J. Berzelius roku 1823
anglický název silicon navrhl T. Thomson v roce 1831

výskyt

druhý nejrozsirřenejší prvek v zemské kůře
nevyskytuje se volný
nachazí se ve sloučeninách s kyslíkem
M^II₂SiO₄ - olivín
M₂Si₂O₆ - pyroxen
M₇(Al, Si)₄O₁₁(OH)₂ - amfibol
(K, H)₂(Mg, Fe)₂(Al, Fe)₂(Si O₄)₃ - biotit
KAlSi₃O₈ - orthoklas
KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂ - muskovit
SiO₂ - křemen
v jílech, pískovcích atd. (zvětráváním a usazováním)
jednotka SiO₄ se může objevovat jako izolovaná skupina, nebo může být zapojena do řetězců, zdvojených řetězců, cyklů, vrstev nebo trojrozměrných struktur

průmyslová výroba

velmi čistý se vyrábí redukcí křemene nebo písku čistým koksem v elektrické obloukové peci:
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
reakce se často provadi v přítomnosti železa (šrotu), získá se slitina ferrosilicia
Si se také vyrábí redukcí oxidu křemičitého hořčíkem nebo hliníkem v žáru:
SiO₂ + 2Mg → Si + 2MgO
3SiO₂ + 4Al → 3Si + 2Al₂O₃

fyzikální vlastnosti

krystalizuje ve struktuře typu diamantu
velmi tvrdý
nemá alotropicke modifikace
za vyššího tlaku těkavější než uhlík
menší vazebná energie Si-Si (nížší hodnota výparného tepla)
polovodič
charakteristický modrošedý, kovový lesk

chemické vlastnosti

v krystalické formě s vyjímkou vysokých teplot stálý
kyslík, voda a pára na něj nepůsobí - díky velmi tenké, ochranné vrstvě SiO₂
odolává vodným roztokům kyselin
směsí koncentrované HNO₃ a HF se však oxiduje a fluoruje
lučavkou královskou je oxidován na kyselinu křemičitou
snadno se rozpouští v horkých vodných roztocích alkalických hydroxidů:
Si + 4OH^- → SiO₄^4- + 2H₂
s F₂ reaguje za normální teploty bouřlivě
s ostatní halogeny reaguje až za zvýšené teploty
za zvýšené teploty reaguje s alkylhalogenidy, vznikají organokřemičité halogenidy – výroba silikonů
reaguje s kyslíkem, vzniká oxid křemičitý (t = 950 - 1160 °C)
reaguje s dusíkem, vzniká SiN a Si₃N₄ (t = 1400 °C)
reaguje s parami síry (t = 600 °C)
reaguje s fosforem (t = 1500 °C)
reaguje s uhlíkem, vzniká karbid křemíku (SiC) (t = 2000-2500 °C)
netvoří binární sloučeniny s Ge, Sn, Pb

na rozdíl od relativní inertnosti pevného Si, představuje roztavený Si mimořádně reaktivní materiál

nádoby pro práci s roztaveným Si musí být vyrobeny ze žáruvzdorných hmot např. ZrO₂

užití

do slitin – dezoxidační prostředek
polovodičová aplikace (solární články, tranzistory)

sloučeniny

silicidy
- sloučeniny křemíku s kovy
- vzorce nelze odvodit - M₆Si, M₄Si, M₁₅Si₄, M₃Si₂
- existují od všech kovů hlavních podskupin kromě Be
- kovy vedlejších podskupin silicidy netvoří s vyjímkou Cu
- připravují se přímo tavením prvků
- silicidy alkalických kovů a kovů alkalických zemin jsou mnohem reaktivnější než ostatní
- silicidy kovů jsou obvykle inertní k vodným roztokům různých látek kromě HF ( ne silicidy I. a II. hlavní podskupiny)
- podléhají však agresivnějším činidlům, jako je roztavený KOH nebo F₂ (Cl₂) za červeného žáru
silany (hydridy křemíku)
- bezbarvé plyny nebo těkavé kapaliny
- obecný vzorec Si_nH_2n+2 (až do n=8)
- extrémě reaktivní
- na vzduchu se samovolně zapalují nebo explodují
- za normální teploty je stálý jen SiH₄
- tepelná stálost klesá s délkou řetězce
- příprava silanů a jejich derivátů
- působením hydridu Li(AlH₄) na sloučeniny SiX₄ v etherovém roztoku za nízké teploty
  nebo působením halogenvodíku (HX) na alkylhalogenid (RX)
- přímou reakcí HX s Si, v případě potřeby v přítomnosti katalyzátoru např. Cu:
  Si + 3HCl → SiHCl₃+ H₂
  Si + 2RCl → R₂SiCl₂
- čisté silany nereagují s vodou ani se zředěnými kyselinami
- alkalické látky hydrolýzu katalyzují, pok probíhá rychle a úplně (SiO₂·nH₂O + 4H₂)
- v přítomnosti Cl₂ nebo Br₂ silany explodují
halogenidy
- fluorid křemičitý (SiF₄)
  - vzniká působením fluorovodíku na oxid křemičitý:
    SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O
  - bezbarvý plyn
  - vodou je hydrolyzován na kyselinu křemičitou a fluorovodík:
    SiF₄ + 4H₂O → H₄SiO₄ + 4HF
  - adicí fluorovodíku na fluorid křemičitý vzniká kyselina hexafluorokřemičitá:
    2HF + SiF₄ → H₂SiF₆
- kyselina hexafluorokřemičitá
  - čistá se nedá připravit, protože se rozpadá na složky, které ji vytvořily
  - byly však připraveny její hydráty
  - je to silná dvojsytná kyselina
  - její soli - hexafluorokřemičitany (SiF₆)^2- jsou většinou ve vodě dobře rozpustné až na sodné, draselné, barnaté
  - kyselina a její soli se používají v průmyslu dřevařském - mají antiseptické vlastnosti
- chlorid křemičitý (SiCl₄)
  - vyrábí se zahříváním oxidu křemičitého s uhlíkem v proudu chloru:
    SiO₂ + 2C + 2Cl₂ → SiCl₄ + 2CO
  - bezbarvá kapalina dusivého zápachu
  - užití
karbid křemíku – (SiC)
- vyrábí se redukcí SiO₂ přebytkem koksu nebo antracitu v elektrické peci při 2000 až 2500°C:
  SiO₂ + 2C → Si + 2CO
  Si + C → SiC
- černé, tmavozelené nebo červenofialové, duhově zbarvené krystaly
  tmavé zbarvení – nečistoty (Fe)
  duhové zbarvení – tenká vrstva SiO₂ na povrchu, která se tvoří oxidací
- tepelná stálost
- většina vodných roztoků kyselin na něj nepůsobí
- působením roztavených hydroxidů a uhličitanů vznikají křemičitany:
  2KOH + SiC + 2O₂ → K₂SiO₃ + CO₂ + H₂O
- reaguje s Cl₂ při 100°C:
  SiC + 2Cl₂ → SiCl₄ + C
  při 1000 °C
  SiC + 4Cl₂ → SiCl₄ + CCl₄
- tvrdý (brusný materiál)
- zvláštní lámavost (poskytuje ostré řezné hrany)
- užití
oxidy
- oxid křemičitý (SiO₂)
  - po vodě nejstudovanější chemická sloučenina
  - v několika alotropických modifikacích
    šesterečný křemen – přechází při teplotě 867 °C na kosočtverečný tridymit, tridymit přechází při teplotě 1470 °C na čtverečný cristobalit
    existují také modifikace amorfní
  - ochlazením roztaveného SiO₂ vzniká sklovitá hmota – křemenné sklo
  - chemicky odolný vůči všem kyselinám s vyjímkou HF
  - rozpouští se v roztavených hydroxidech a uhličitanech:
    SiO₂ + 2KOH → K₂SiO₃ + H₂O
    SiO₂ + Na₂CO₃ → Na₂SiO₃ + CO₂
  - reaguje s F₂ za vzniku fluoridu křemičitého a kyslíku:
    SiO₂ + 2F₂ → SiF₄ + O₂
  - nad 1000°C reaguje s vodíkem a uhlíkem
  - vyskytuje se ve velkém množství forem, které jsou závislé na příměsích
  - nejběžnější je α křemen, hlavní minerální součást hornin jako je žula, pískovec
  - čistý SiO₂ - křištál, s příměsí ruženín, kouřový křemen, morion ( hnědý), ametyst (fialový), citrín (žlutý)
  - v nedokonalých krystalických formách: chalcedony (různé barvy), chrysopras (zelený), karneol (červený), achát (pruhovaný), jaspis (různé barvy), heliotrop ( zelený s červenými skvrnami), pazourek (často černý – inkluze uhlíku)
  - zemité formy: křemelina, diatomit
  - hydratovaný křemen - opály
  - Formy SiO₂ používané v průmyslu
    - křemen
      - využívájí se jeho piezoelektrické vlastnosti (krystalové oscilátory, elektrodynamické přístroje)
    - křemenné sklo
      - vysoká tepelná odolnost, propustnost pro ultrafialové záření, chemická netečnost
      - užití – výroba laboratorního skla
    - silikagel
      - amorfní forma SiO₂
      - sušidlo
      - selektivní sorbent
      - chromatografický nosič
      - tepelný a zvukový isolační materiál
      - potravinářský průmysl (prostředek proti spékání kakaa, prášků ovocných šťáv, koření atd.)
      - matovací prostředek (matové povrchové úpravy laků, nátěrů i povrchu syntetických materiálů)
    - speciální silikagel
      - s přídavkem kobaltnaté soli, není-li jeho absorpční schopnost vyčerpaná má modrou barvu
        jakmile je vodou nasycen je růžový
      - opatrným zahřátím (180 °C) se navázaná voda uvolní a silikagel se regeneruje – dá se znovu použít
    - kouřový křemen
      - vzniká vysokoteplotní hydrolýzou SiCl₄ v kyslíkovodíkovém plameni
      - užívá se jako thixotropní zahušťovadlo při zpracování epoxidových a polyesterových pryskyřic
      - výztužné plnidlo do silikonového kaučuku
kyseliny
- kyselina křemičitá SiO₂·nH₂O
  - připravuje se srážením vodného roztoku křemičitanu sodného kyselinou chlorovodíkovou:
    Na₂SiO₃(aq) + 2HCl(aq) → 2NaCl(aq) + SiO₂·nH₂O
  - vylučuje se jako gel
  - malé množství koloidní kyseliny zůstane v roztoku
  - v roztoku kyseliny – dekahydrodikřemičitá (H₁₀Si₂O₉), tetrahydrokřemičitá (H₄SiO₄), hexahydrodikřemičitá (H₆Si₂O₇), křemičitá (H₂SiO₃)
- dihydrogendikřemičitá (H₂Si₂O₅)
  - další kondenzací vznikají polykřemičité kyseliny neurčitého a proměnlivého složení - [SiO_x(OH)_4-2x]_n
- křemičitany
  - alkalické křemičitany se připravují tavením oxidu křemičitého se sodou nebo potaší (K₂CO₃):
    Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂
  - vyrábějí se tavením písku se směsí síranu sodného a dřevného uhlí
  - alkalické křemičitany jsou ve vodě rozpustné
  - vodný roztok alkalických křemičitanů – vodní sklo (používá se k impregnaci, k lepení, přísada do tmelů, konzervování vajec)
  - mleté alkalické křemičitany – přísada do méně kvalitních mýdel jako plnidlo
  - ostatní křemičitany jsou nerozpustné
  - křemičitany s izolovanými jednotkami (ortokřemičitany) – (M₂SiO₄) (M = Be, Mg, Mn, Fe, Zn) - složka portlandského cementu
  - cyklické metakřemičitany (SiO₃)^2-_n
  - křemičitany s řetězovými nebo pásovitými strukturami - azbestové materiály
    - vysoká pevnost v tahu
    - velká ohebnost
    - odolnost vůči teplu i plameni
    - odolnost vůči kyselinám a zásadám
    - užití
    - dlouhodobý styk s prachem azbestových vláken ve vzduchu - azbestosa (nezhoubné zjizvení plicní tkáně), plicní rakovinný nádor
  - křemičitany s vrstevnatými strukturami
    - kaolinit
    - slídy
      - dokonalá štípatelnost
      - pružnost
      - průhlednost
      - vysoká dielektrická pevnost
      - chemická odolnost
      - tepelná stálost do 500°C
      - užití – okénka pecí, elektrický izolační materiál (kondenzátory, topné prvky), plnidlo do pryže, plastů
    - mastek
      - měkký
      - hladký
      - mazací schopnost za sucha
      - chemicky inertní
      - užití – keramika, insekticidy, výroba papíru, kosmetika a toaletní přípravky
    - křemičitany s trojrozměrnými strukturami
      - živce – nejrozšířenější minerály, tvoří 60% zemské kůry
      - zeolity – molekulová síta, sušidla, iontoměniče, změkčovadla vody, plnidla detergentů
      - ultramariny – barviva pro olejové barvy a porcelán, modřidlo – maskuje nežádoucí zažloutnutí prádla, papíru, škrobu
  - organokřemičité sloučeniny
    - tepelná stálost
    - chemická netečnost
    - fyziologická netečnost
    - dobré dielektrické vlastnosti
    - silikonové pryskyřice
      - izolace elektrického a strojního zařízení
      - lamináty pro desky plošných spojů
      - zapouzdření součástek (rezistory, integrované obvody - pomocí lisování)
      - barvy odolné k vysokým teplotám (kuchyňské nádobí)
    - silikonové oleje
      - dielektrická izolační média
      - hydraulické oleje
      - náplň kapalinových tlumičů
      - média pro přenos tepla v topných lázních
      - autoleštidla
      - pleťové vody na opalování
      - rtěnky
      - nízké povrchové napětí (odpěňovadla při barvení textilií, odpěňovadla do stolních olejů, zpracování ovocných šťáv, výroba smažených bramborových lupínků, čištění odpadních vod)
    - silikonové kaučuky
      - izolační pouzdra kabelů
      - těsnící vložky
      - membrány
      - kyslíkové masky
      - zdravotnické hadice
      - kosmické skafandry
      - implantáty
      - přesné formy – přesné a pružné otisky (umělý chrup, inleje)

Sklo

homogenní beztvará tavenina směsi křemičitanů
vyrábí se tavením tzv. sklářského kmene (směs surovin)
sklářský kmen - křemenný písek (SiO₂), uhličitan vápenatý (CaCO₃), soda (Na₂CO₃ · 10H₂O), potaš (K₂CO₃), borax (Na₂B₄O₇ · 10H₂O), oxid hlinitý (Al₂O₃), kyselina boritá (H₃BO₃), oxid olovnatý (PbO) a jiné
různé druhy skel - sodné (Na₂O · CaO · 6SiO₂), draselné, olovnaté, mléčné atd.
barvení skla - oxidy kovů např. kobaltu, mědi, železa, chromu aj.
mléčné sklo - zákal - oxid arzenitý (As₂O₃), cínatý (SnO), některé fosforečnany
glazury (polevy) - tenké skleněné povlaky na předmětech z jiných látek (porcelán, kovy)
emaily (smalty) - neprůhledné glazury (přídavek oxidu cíničitého (SnO₂) nebo oxidu titaničitého (TiO₂)

2003 - 2006 © uvedení autoři, Gymnázium F. X. Šaldy v Liberci
Jakékoliv kopírování obsahu je bez svolení autorů zakázáno.

Křemík (14Si)