5b. KŘEMÍK. Čas ke studiu: 2 hodiny. Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět. Výklad



Podobné dokumenty
Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Křemík a jeho sloučeniny

Otázky a jejich autorské řešení

Pracovní list: Opakování učiva 8. ročníku

SiO 2, AL 2 O 3,Ca(OH) 2 DOC. ING. MILENA PAVLÍKOVÁ, PH.D.

Horniny a minerály II. část. Přehled nejdůležitějších minerálů

Obecná charakteristika

Kyselina fosforečná Suroviny: Výroba: termický způsob extrakční způsob

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název projektu: Investice do vzdělání - příslib do budoucnosti

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

Vznik a vlastnosti minerálů

Test pro 8. třídy A. 3) Vypočítej kolik potřebuješ gramů soli na přípravu 600 g 5 % roztoku.

VY_52_INOVACE_208 Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor: Chemie Ročník: 8, 9

Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Ročník: 1. pro obory zakončené maturitní zkouškou

Keramika. Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. K. Daďourek 2008

Veličiny- základní N A. Látkové množství je dáno podílem N částic v systému a Avogadrovy konstanty NA

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda. Vyučovací předmět: Chemie. Třída: tercie. Očekávané výstupy. Poznámky. Přesahy. Žák: Průřezová témata

2. Chemický turnaj. kategorie starší žáci (9. ročník, kvarta) Zadání úloh. Teoretická část. 45 minut

Chemie. Charakteristika předmětu

Ukázky z pracovních listů B

Zařazení nekovů v periodické tabulce

Metalografie ocelí a litin

PRVKY 17. (VII. A) SKUPINY

ZS Purkynova Vyskov. Mgr. Jana Vašíèková / vasickova@zspurkynova.vyskov.cz Pøedmìt Chemie Roèník 9. Klíèová slova Uhlovodíky Oèekávaný výstup

CZ.1.07/1.5.00/

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Výroba skla. Historie výroby skla. Suroviny pro výrobu skla

Obecná a anorganická chemie. Halogenovodíky a halogenovodíkové kyseliny

Vzdělávací oblast: Člověk a příroda Vzdělávací obor (předmět): Chemie - ročník: PRIMA

CHARAKTERISTIKA. VZDĚLÁVACÍ OBLAST VYUČOVACÍ PŘEDMĚT ZODPOVÍDÁ ČLOVĚK A PŘÍRODA CHEMIE Mgr. Zuzana Coufalová

Použití: méně významná ruda mědi, šperkařství.

5. Třída - karbonáty

Chemie. Charakteristika vyučovacího předmětu:

EU peníze středním školám digitální učební materiál

Elektrotermické procesy

P2 prvky - IV.A skupina - otázka z chemie

Příspěvek ke studiu problematiky vzniku žlutých skvrn na prádle.

CHEMICKY ČISTÁ LÁTKA A SMĚS

Materiály pro konzervování předmětů ze skla, porcelánu a smaltu ( u)

Zařazení polokovů v periodické tabulce [1]

Chemie = přírodní věda zkoumající složení a strukturu látek a jejich přeměny v látky jiné

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL

Keramika spolu s dřevem, kostmi, kůží a kameny patřila mezi první materiály, které pravěký člověk zpracovával.

Autorem materiálu je Ing. Dagmar Berková, Waldorfská škola Příbram, Hornická 327, Příbram, okres Příbram Inovace školy Příbram, EUpenizeskolam.

ORGANICKÁ CHEMIE Laboratorní práce č. 1 Téma: Důkaz biogenních prvků v organických sloučeninách

Nauka o materiálu. Přednáška č.11 Neželezné kovy a jejich slitiny


Ch - Chemie - úvod VARIACE

2.10 Pomědění hřebíků. Projekt Trojlístek

III/2 - Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Inovace výuky na GSN prostřednictvím ICT

TEORETICKÁ ČÁST (70 BODŮ)

A U T O R : I N G. J A N N O Ž I Č K A S O Š A S O U Č E S K Á L Í P A V Y _ 3 2 _ I N O V A C E _ _ N E K O V O V É T E C H N I C K É M A T

MINERALOGICKÉ A GEOCHEMICKÉ ZHODNOCENÍ KOROZIVNÍCH PRODUKTŮ POZINKOVANÝCH ŽELEZNÝCH TRUBEK

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Dusík a jeho sloučeniny

II. Chemické názvosloví

VÝROBKY PRÁŠKOVÉ METALURGIE

Výroba skla a keramiky

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Název projektu: Investice do vzdělání - příslib do budoucnosti. Číslo přílohy:vy_52_inovace_ch8.

EU peníze středním školám digitální učební materiál

Drahé kovy. Fyzikálně-chemické vlastnosti drahých kovů. Výskyt a těžba drahých kovů

VI. skupina PS, ns 2 np4 Kyslík, síra, selen, tellur, polonium

Inovace profesní přípravy budoucích učitelů chemie

Reálné gymnázium a základní škola města Prostějova Školní vzdělávací program pro ZV Ruku v ruce

Chemické složení surovin Chemie anorganických stavebních pojiv

Chlor Cl 1. Výskyt v přírodě: Chemické vlastnosti: Výroba: 2Na + 2H2O 2NaOH + H2 Významné sloučeniny: 5. Použití: 6. Biologický význam: Kyslík O

Předmět: CHEMIE Ročník: 8. ŠVP Základní škola Brno, Hroznová 1. Výstupy předmětu

Brom a jod CH_099_ Brom a jod Autor: PhDr. Jana Langerová

Anorganická pojiva, cementy, malty

Příloha č. 1 Celková produkce odpadů podle druhů

HYDROFOBNÍ IMPREGNACE BETONU

Technologie pro úpravu bazénové vody

) se ve vodě ihned rozpouští za tvorby amonných solí (iontová, disociovaná forma NH 4+ ). Vzájemný poměr obou forem závisí na ph a teplotě.

U Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT

Halogenidy, oxidy opakování Smart Board

JEMNOZRNNÉ BETONY S ČÁSTEČNOU NÁHRADOU CEMENTU PŘÍRODNÍM ZEOLITEM

Výroba stavebních hmot

Odpady z kompozitních tkanin (impregnované tkaniny, elastomer, plastomer) O

Masarykova střední škola zemědělská a Vyšší odborná škola, Opava, příspěvková organizace

Kovy a kovové výrobky pro stavebnictví

Příloha č. 1 Celková produkce odpadů podle druhů

Povolené odpady: Číslo Kategorie Název odpadu

Historie výroby skla na našem území sklo bylo objeveno v polovině 3. tisíciletí př. n. l. v Mezopotámii (teorií objevu skla je více)

Přechodné prvky, jejich vlastnosti a sloučeniny

DUM č. 4 v sadě. 24. Ch-2 Anorganická chemie

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ PAVLA ROVNANÍKOVÁ PAVEL ROVNANÍK STAVEBNÍ CHEMIE

tvorbou anionu tato schopnost je menší než u kyslíku

4.01 Barevné reakce manganistanu draselného. Projekt Trojlístek

DUM VY_52_INOVACE_12CH35

Očekávané výstupy podle RVP ZV Učivo předmětu Přesahy a vazby

Termika. Nauka o teple se zabývá měřením teploty, tepla a tepelnými ději.

Základní informace o wolframu

Předmět: Chemie Ročník: 8.

Ch - Stavba atomu, chemická vazba

Prvky 4. A skupiny. Prvky 4. A skupiny UHLÍK. Prvky 4. A skupiny UHLÍK. UHLÍK - výskyt

Martin Hynouš gsm:

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Obrábění. Název: Téma: Fyzikální metody obrábění 2. Ing. Kubíček Miroslav. Autor:

Modul 02 - Přírodovědné předměty

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

VYHLÁŠKA. Ministerstva životního prostředí. ze dne 17. října 2001,

Transkript:

5b. KŘEMÍK Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět seznámí se s problematikou materiální podstaty křemíku a jeho průmyslové výroby definovat parametry křemíku a znát souvislosti s jeho využitím pro výrobu solárních fotovoltaických článků Výklad Obsah: 1 Historie objevu 2 Základní fyzikálně - chemické vlastnosti 3 Výskyt v přírodě 4 Výroba a využití 4.1 Výroba vysoce čistého křemíku 4.2 Výroba monokrystalického křemíku 4.3 Slitiny 4.4 Polovodivé vlastnosti 5 Sloučeniny křemíku a jejich význam 5.1 Oxid křemičitý 5.1.1 Výroba skla 5.2 Křemičitany 5.2.1 Keramika a stavební hmoty 5.3 Halogenidy křemíku 5.4 Karbid křemíku 6 Křemíkaté analogie uhlovodíků 6.1 Silany 6.2 Siloxany (silikony) 7 Zdravotní rizika Literatura, související články a externí odkazy 1

Křemík: Chemická značka Si (lat. Silicium) Atomové číslo 14 Relativní atomová hmotnost 28,0855 amu Elektronová konfigurace [Ne] 3s2 3p2 Skupenství Pevné Teplota tání 1410-1420 C, tj. 1683-1693 K (různé zdroje) Teplota varu 2900-3200 C, tj. 3173-3573 K Hustota 2,330 g.cm-3 Tvrdost 6,5 Křemík (lat. Silicium) je polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Historie objevu Křemík poprvé identifikoval roku 1787 Antoine Lavoisier jakožto složku pazourku a jiných křemíkatých hornin. Později, v roce 1800, jej Humphry Davy mylně považoval za sloučeninu. Roku 1811 Gay-Lussac a Thénard pravděpodobně vyrobili amorfní křemík zahříváním draslíku s tetrafluorosilanem. Křemík jakožto prvek byl poprvé izolován švédským chemikem J. J. Berzeliem roku 1823. Roku 1824 Berzelius získal amorfní křemík přibližně stejným postupem jako předtím Gay-Lussac. Berzelius také produkt přečistil opakovaným promýváním. Základní fyzikálně - chemické vlastnosti Křemík je poměrně tvrdý polokov s vysokou afinitou ke kyslíku. Elementární křemík je na vzduchu neomezeně stálý, v okolní přírodě se s ním však setkáváme prakticky pouze ve formě sloučenin, v nichž se vyskytuje pouze v mocenství Si+4. Je odolný vůči většině minerálních kyselin s výjimkou směsi kyseliny fluorovodíkové (HF) a kyseliny dusičné (HNO3), velmi snadno se však rozpouští v zásaditých roztocích (např. v hydroxidu draselném) za vzniku křemičitanového aniontu [SiO3]-2. 2

Křišťál - krystalický oxid křemičitý V čisté podobě se křemík v přírodě nevyskytuje, setkáváme se pouze s jeho sloučeninami. Je po kyslíku druhým nejvíce zastoupeným prvkem v zemské kůře. Podle posledních dostupných údajů tvoří 26 28 % zemské kůry. V mořské vodě je jeho koncentrace poměrně nízká, pouze 3 mg Si/l, ve vesmíru připadá na jeden atom křemíku pouze přibližně 30 000 atomů vodíku. Křemík je základní složkou velké většiny hornin tvořících zemskou kůru - příkladem mohou být pískovcové horniny, jíly, žuly a především aluminosilikátové horniny na bázi orthoklasu (aluminosilikáty obsahující draslík) nebo plagioklasu (aluminosilikáty obsahující sodík). Křemík se tedy vyskytuje prakticky ve všech vyvřelých horninách. minerál ametyst Mineralogicky je bezesporu nejvýznamnějším zástupcem křemen, chemicky oxid křemičitý SiO2. Minerály s tímto složením se liší barevně podle přítomnosti malých množství cizorodých prvků, které způsobují charakteristické zbarvení krystalického oxidu křemičitého. Téměř čistý oxid křemičitý je mineralogicky označován jako křišťál, fialově je zbarven ametyst, žlutý je citrín, růžový růženín, hnědý záhněda. Další, např. jaspis, se mohou vyskytovat v několika barevných variantách. 3

Zvláštní případ minerálu na bázi oxidu křemičitého je amorfní forma této sloučeniny opál. Tento módní polodrahokam se vyskytuje v řadě barevných variant. V současné době se největší množství opálů dobývá v Austrálii a střední Americe včetně Mexika. mikroskopická řasa rozsivka Z biologického hlediska patří křemík mezi biogenní prvky, i když jeho obsah v tkáních živých organismů není příliš vysoký. Uvádí se, že v těle dospělého člověka je přítomen přibližně 1 g křemíku a to především v kostech, chrupavkách a zubní sklovině, pro jejichž zdravý růst a vývoj je nezbytný. Zvýšený obsah křemíku v rostlinných buňkách můžeme nalézt např. v přesličkách nebo žahavých chloupcích kopřiv. Mimořádně důležitý je křemík pro rozsivky, neboť jeho sloučeniny tvoří hlavní složku schránky těchto jednobuněčných řas, frustuly. Jde zejména o vodnatý polymer oxidu křemičitého, blízký opálu. Rozsivky jsou jedinou skupinou organismů, jejíž rozvoj je naprosto závislý na přítomnosti rozpustných forem oxidu křemičitého v prostředí. Po vyčerpání zdrojů křemíku se zastaví replikace DNA. Rozsivky jsou významnými primárními producenty biomasy, jejich biomasa tvoří 25% z celkového množství produkovaného rostlinami. [editovat] Výroba a využití Výroba křemíku v průmyslovém měřítku spočívá v redukci taveniny vysoce čistého oxidu křemičitého v obloukové elektrické peci na grafitové elektrodě, jejíž materiál je přitom spalován na plynný oxid uhličitý podle reakce: SiO2 + C Si + CO2 za vzniku křemíku o čistotě 97 99 %. Pro účely elektronického průmyslu je ovšem tato čistota naprosto nedostatečná, neboť výroba elektronických součástek vyžaduje většinou křemík o čistotě minimálně 99,9999 %, protože i nepatrné znečištění výrazně ovlivňuje kvalitu vyrobených tranzistorů a dalších elektronických součástek. Výroba vysoce čistého křemíku 4

Jednou z nejstarších metod pro přípravu vysoce čistého křemíku je zonální tavení. Čištěný materiál se nejprve upraví do tvaru dlouhé tenké tyče. Ta se potom ve speciální pícce postupně přetavuje tak, aby se tavená zóna posunovala od jednoho konce ke druhému. Přitom se nečistoty přítomné v materiálu koncentrují v roztavené zóně a postupně se dostávají ke konci tyče, který se nakonec odstraní odříznutím. Několikanásobným opakováním tohoto postupu vznikne poměrně vysoce čistý materiál. V současné době se pro přípravu extrémně čistého křemíku používají chemické metody. V tzv. Siemensově postupu je z křemíku nejprve vyrobena nějaká těkavá sloučenina, obvykle trichlorsilan HSiCl3 nebo chlorid křemičitý SiCl4. Tyto plynné sloučeniny se potom vedou přes vrstvu vysoce čistého křemíku o teplotě přes 1 100 C. Přitom dochází k jejich rozkladu a vzniklý vysoce čistý křemík se ukládá v krystalické podobě na původní křemíkovou podložku. Reakci trichlorsilanu vystihuje rovnice: 2 HSiCl3 Si + 2 HCl + SiCl4 Uvedeným postupem vzniká tzv. polykrystalický křemík, který typicky obsahuje nečistoty v řádu jednotek ppb (1 : 1 000 000 000) a plně vyhovuje požadavkům pro výrobu elektronických polovodičových součástek. Po určitou dobu byl alternativou k Siemensově metodě postup DuPontův, který vycházel z chloridu křemičitého a jeho rozkladu při teplotě 950 C na vysoce čistém zinku podle rovnice: SiCl4 + 2 Zn Si + 2 ZnCl2 Technické problémy s těkavostí vznikajícího chloridu zinečnatého, který následně znečišťoval vyrobený čistý křemík, vedly nakonec k tomu, že byl tento proces prakticky opuštěn. křemíkový krystal Pěstování monokrystalů Podle vlastností a složení výchozí fáze lze rozdělit růst monokrystalů pevných látek takto: Převážně pro objemové monokrystaly: Růst z taveniny čistých látek nebo z taveniny obsahující příměsi. Růst z roztoku krystalizující látky v čistém rozpouštědle nebo rozpouštědle obsahujícím příměsi. Převážně pro růst epitaxní vrstvy: Růst z par (atomy a molekuly vytvářejí krystal) Růst z par (při chemickém rozkladu par sloučenin jehož výsledkem je krystalizace látky) 5

Základním principem metod pěstování objemových monokrystalů je řízení krystalizace tak, aby se potlačila nekontrolovatelná (samovolná) nukleace. Fázová přeměna je tedy iniciována jediným krystalizačním zárodkem, tzv. matečným krystalem. Jedná se tedy o růst krystalu na zárodku. Metody pěstování z taveniny Kelímkové metody Bezkelímkové metody Modifikované a speciální metody Czochralského metoda Zonální tavba v lodičče Metoda letmé zonální tavby Růst monokrystalů z roztoku Používá se obvykle v těch případech, kdy by zvýšení teploty nevyhovovalo vstupním látkám. Při pěstování objemových krystalů je tato metoda v současnosti nahrazována jinými. Výroba monokrystalického křemíku Jelikož pro výrobu většiny polovodičových součástek je polykrystalický křemík nepoužitelný, používá se křemík monokrystalický. Obvyklou metodou pro jeho výrobu je řízená krystalizace z taveniny, nazývaná Czochralského proces. Při tomto postupu je do křemíkové taveniny vložen zárodečný krystal vysoce čistého křemíku. Tento krystal se přitom otáčí a pulzuje podle předem přesně definovaného programu, přičemž teplota taveniny je také velmi pečlivě sledována a řízena. Celý proces probíhá v nádobách z velmi čistého křemene v inertní atmosféře argonu. Na zárodečném krystalu se pak vylučují další vrstvy mimořádně čistého křemíku, výsledný produkt (křemíkový ingot) pak může mít až 400 mm v průměru a délku do 2 m, tvořen je přitom jediným krystalem. Vyrobený ingot se po ochlazení řeže na tenké vrstvy (typicky 0,5 mm), leští a je použit jako výchozí surovina pro výrobu polovodičových součástek. Slitiny Metalurgický význam křemíku spočívá pouze ve výrobě některých speciálních slitin, v nichž jeho podíl představuje pouze jednotky procent. Nejznámější je ferrosilicium, slitina křemíku a železa, která se vyznačuje vysokou tvrdostí a chemickou odolností. Pro zvýšení tvrdosti se křemík v malém množství přidává i do speciálních ocelí a hliníkových slitin. Polovodivé vlastnosti Čistý křemík má z hlediska pásové struktury vlastnosti polovodiče. Z hlediska polovodivých aplikací se však častěji používá křemík s příměsí jiného prvku, což má za následek elektronovou resp. děrovou vodivost a snížení elektrického odporu. Vzniká tak polovodič typu n resp. p; takovýto materiál tvoří základ součástek jako jsou diody, tranzistory, fotovoltaické články a další. 6

Sloučeniny křemíku a jejich význam Oxid křemičitý Patrně nejvýznamnější anorganickou sloučeninou křemíku je oxid křemičitý, SiO2. Tato látka se vyskytuje v řadě modifikací se zcela odlišnými fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Minerály na bázi SiO2 se ve formě polodrahokamů vyskytují v nejrůznějších barevných odstínech po celém světě. Zbarvení: fialová - ametyst, hnědá - záhněda, žlutá - citrin, bez barvy - křišťál Ve velkém množství okolních hornin je křemen přítomen ve formě žil a vrostlic. Při erozi hornin dochází k narušení její struktury a křemen je jako jedna z nejtvrdších a nejodolnějších součástí z horniny vyplavován ve formě křemenných písků, oblázků a valounů. Tento materiál slouží jako cenná surovina ve sklářském a stavebním průmyslu. V jílových horninách je křemík přítomen ve formě mikroskopických částic. Tyto horniny jsou základní surovinou v keramickém průmyslu a uplatňují se i při výrobě stavebních hmot (pálené cihly a tašky). Výroba skla Technicky vzato je sklo podchlazená tekutina - nemá krystalickou strukturu. Sklo také skutečně teče i když velice pomalu. Můžeme to pozorovat např. na velmi starých okenních tabulkách, které jsou v dolní části měřitelně silnější, než nahoře[zdroj?] (popíráno zde http://fykos.troja.mff.cuni.cz/rocnik16/reseni/reseni6-3.pdf ). Velké problémy působí tečení skla v čočkách a zrcadlech obřích optických teleskopů, kde i změny rozměrů v řádu setin milimetru mohou zhoršit optické vlastnosti přístroje. V současné době se vyrábí stovky druhů skla pro nejrůznější praktické aplikace, které se liší fyzikálními vlastnostmi i vzhledem. Základní surovinou pro výrobu skloviny je směs, nazývaná sklářský kmen o přibližném složení: 50% písek (křemen nebo oxid křemičitý), 16% soda (uhličitan sodný), 12% vápenec (uhličitan vápenatý), 18% odpadní sklo (drcené střepy). Tato směs taví při teplotě kolem 1 500 C a dále zpracovává především na výrobu lahví litím nebo foukáním. Přídavkem potaše, uhličitanu draselného se získává tabulové sklo pro výrobu oken, výkladních skříní apod. Sklovina přitom tuhne na vrstvě roztaveného cínu a vzniklé tabule mají zvlášť hladký povrch plavené sklo. 7

Sklo s vyšším obsahem olova se vyznačuje vysokým indexem lomu a je zvláště těžké. Olovnaté sklo se používá pro výrobu lustrů, bižuterie, ozdobných karaf a sklenic. Sklo pro výrobu optických přístrojů (čočky, hranoly, optické filtry) obsahuje kromě olova i baryum, zinek a titan. Skla borosilikátová mají část sklotvorného SiO2 nahrazenu oxidem boritým. Přísada oxidu hlinitého zvyšuje jejich pevnost a zlepšuje zpracovatelnost skloviny. Borosilikátová skla jsou žáruvzdorná a chemicky odolná. Slouží jako sklo laboratorní a varné využívané v domácnostech. Chemicky nejjednodušší je křemenné sklo, tavený čistý oxid křemičitý SiO2. Propouští ultrafialové záření, má výbornou chemickou tepelnou odolnost a snese prudké ochlazení, aniž popraská. Vysoká tavicí teplota kolem 1 800 C a s tím spojená cena křemenného skla omezuje jeho praktické využití na výrobu laboratorních potřeb a speciálních žárovek. Křemičitany snímek minerálu zeolitu Křemík tvoří celou řadu kyslíkatých kyselin, z nichž nejjednodušší a nejznámější je kyselina křemičitá H2SiO3. V dalších kyselinách jsou za sebou řetězeny skupiny [SiO3]. Všechny uvedené kyseliny jsou poměrně slabé a nestálé. Běžně se však setkáváme s jejich solemi křemičitany, které jsou velmi stabilní. Křemičitany alkalických kovů a kovů alkalických zemin jsou podstatnou součástí vyvřelých hornin, jílů, cihlářských hlín a dalších. Velmi běžné jsou horniny na bázi hlinitokřemičitanů (aluminosilikátů), tzv. živce. Aluminosilátové minerály tvoří např. orthoklas KAlSi3O8 a plagioklas NaAlSi3O8. 8

strukturní uspořádání různých typů zeolitů, kolečko = O, čtverec = Si nebo Al Velmi cenné jsou aluminosilikáty zvané zeolity, které vytvářejí komplikované prostorové sítě, složené z tetraedrů SiO4 a AlO4, vázaných navzájem sdílením svých vrcholových kyslíků. Tvoří vzájemně propojené kanály a dutiny, které obsahují slabě vázané, tedy v podstatě pohyblivé molekuly vody a kationy alkalických kovů (Na, K, Li, Cs) a alkalických zemin (Ca, Mg, Ba, Sr), které vyrovnávají nenasycenou negativní valenci AlO4. Zeolity se chovají jako přírodní iontoměniče nebo molekulová síta. Keramika a stavební hmoty Keramika je obecný název pro výrobky zhotovené vypalováním keramických směsí, jejichž hlavními složkami jsou kaolíny, jíly a hlíny. Keramické směsi získají po prohnětení s vodou plastické vlastnosti, v tom stavu je lze tvarovat a naopak po vypálení při teplotě 800 až 1500 C plastické vlastnosti ztrácejí a mění se v trvale tvrdou látku zvanou střep. Nejvíce ceněnou keramickou hmotou je porcelán, jehož vstupní suroviny tvoří směs, která obsahuje průměrně 50 % nejčistšího kaolínu, 25 % křemenného písku a 25 % živce. Velmi známý a ceněný je například míšeňský porcelán, u nás se výroba porcelánu koncentruje v západních Čechách, světově proslulý je karlovarský porcelán. Cihlářské hlíny jako méně hodnotné keramické suroviny slouží pro výrobu cihel, střešních tašek a jiný stavebních materiálů. Z jílů nebo méně hodnotného kaolinu, živce a křemene se vypalováním při teplotě okolo 1300 C vyrábí buď obyčejná kamenina (potrubí, dlaždice) nebo jemná bílá kamenina (talíře, umyvadla, kachlíky, sošky). Další uplatnění ve stavebnictví nachází křemenný písek jako složka malty a pojivých materiálů a především při výrobě betonu. Halogenidy křemíku Křemík tvoří sloučeniny s fluorem SiF4, chlorem SiCl4 a bromem SiBr4, které se mohou dále řetězit za vzniku vyšších halogenidů. Všechny uvedené sloučeniny jsou značně nestálé a při styku s vodou okamžitě hydrolyzují za vzniku gelovité kyseliny křemičité. Chlorid křemičitý je značně důležitou sloučeninou při přípravě čistého křemíku pro polovodičové účely (viz výše). Těkavosti fluoridu křemičitého se v analytické chemii používá k odstranění fluoru z jeho stabilních fluoridů AlF3 a fluoridů lantanoidů. Vzorek se přitom vaří při asi 150 C v 50 % 9

kyselině sírové ve skleněné aparatuře a vzniklý těkavý SiF4 je okamžitě odváděn proudem horké vodní páry do roztoku alkalického louhu, kde je pak možno snáze určit jeho obsah. Karbid křemíku Krystaly karbidu křemíku SiC mají analogickou krystalickou strukturu jako diamant a patří proto mezi jedny nejtvrdších známých látek. V Mohsově stupnici tvrdosti dosahuje stupně 9 10 a nalézá uplatnění jako brusný materiál pod názvem karborundum. Křemíkaté analogie uhlovodíků Protože křemík a uhlík se periodické soustavě prvků nalézají v jedné skupině pod sebou, dalo by se usuzovat, že křemík bude stejně jako uhlík vytvářet nesmírně pestrou škálu sloučenin analogických organickým látkám. Ve starší vědeckofantastické literatuře jsme se mohli poměrně často setkat s živými bytostmi, které na rozdíl od nás mají tělo složené ze silikonových molekul, koupou se v kapalném čpavku, dýchají sirné páry apod. Skutečnost je však daleko prozaičtější. Přestože křemík vytváří řadu analogických sloučenin k uhlovodíkům, nemůže jejich množství nikdy dosáhnout pestrosti organických látek. Důvodem je především fakt, že atomy křemíku nejsou schopny vytvářet dvojnou vazbu Si=Si a pochopitelně ani vazbu trojnou. Další významný důvod je síla vazby mezi dvěma atomy křemíku, která je přibližně poloviční, než u vazby C-C. V důsledku toho jsou molekuly o vysokém počtu vazeb Si-Si nestálé a velmi snadno se rozkládají. Přesto však existují skupiny látek, které jsou analogy mezi organickými sloučeninami a podobnými sloučeninami křemíku. Silany Silany jsou bezbarvé látky o složení SinH2n+2. První dva silany jsou plynné, od trisilanu Si3H8 kapalné. Všechny jsou mimořádně reaktivní a na vzduchu samozápalné, reakcí s kyslíkem vzniká oxid křemičitý a voda. Ve vodě také rychle hydrolyzují za uvolnění plynného vodíku a gelu kyseliny křemičité. Silany jsou velmi silná redukční činidla. S halogeny reagují explozivně, za jistých podmínek (přítomnost AlCl3 a vhodné teploty) lze připravit molekuly s jedním atomem halogenu SiH3Cl až SiHCl3 apod. Silany se uplatňují především jako výchozí sloučeniny pro výrobu složitějších křemíkatých látek např. pro výrobu čistého polovodičového křemíku. Siloxany (silikony) Siloxany jsou sloučeniny, které obsahují v molekule vazbu Si-O-Si. Tato chemická skupina je velmi stabilní a může proto být připraven prakticky nekonečný řetězec o složení (O-Si-O-Si- O)-, zbylé dvě volné vazby křemíkového atomu mohou být obsazeny např. skupinami HO nebo nejčastěji organickými ligandy jako -CH3a dalšími. Nejběžněji užívané sloučeniny tohoto typu jsou polydimethylsiloxany a mají vzorec: (CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3. Uvedené látky jsou přitom za běžných podmínek zcela stabilní a nepodléhají rozkladu ani v přítomnosti kyslíku nebo vody. Podle počtu siloxanových skupin i jejich ligandů mohou být 10

výslednými produkty jak kapalné, tak pevné látky. Jejich další vlastností je hydrofobie (odpuzují vodu) a prakticky naprostá neškodnost pro živé organizmy. Praktické využití siloxanů je velmi široké: Ve stavebnictví jsou využívány především hydrofobní vlastnosti. Jsou složkou speciálních omítek a nátěrů, které zabraňují pronikání vlhkosti do staveb. Pevné polymerní sloučeniny na bázi siloxanů jsou většinou označovány jako silikonový kaučuk. Tato látka má elastické vlastnosti podobné klasickému kaučuku, navíc však snáší mnohem vyšší teploty a je téměř nehořlavá. Vzhledem k těmto vlastnostem se ze silikonového kaučuku vyrábějí různá těsnění nebo vystýlky nádob pro chemický průmysl a podobné aplikace. Hydrofobní vlastnosti siloxanů lze potlačit tím, že na určité procento křemíkových atomů jsou navázány skupiny OH. Takové polymery se pak uplatňují v medicíně pro výrobu chirurgických implantátů (nejznámější je pravděpodobně umělé zvětšování velikosti ženských prsů). Kapalné nebo polotuhé siloxany jsou známy jako silikonové oleje, popř. silikonové tuky. Jejich předností oproti klasickým mazadlům je odolnost proti vysokým teplotám a jsou proto nasazovány do prostředí se zvýšeným teplotním namáháním nejen jako mazadla, ale i jako média pro přenos tepla (olejové lázně). Zdravotní rizika Křemík ani jeho běžné anorganické sloučeniny nejsou toxické, jsou natolik inertní, že projdou trávicím traktem zcela neporušeny. Problémy nastávají spíše při dlouhodobém vdechování mikroskopických částeček, vznikajících při broušení za použití silikátových materiálů nebo při mechanickém opracovávání silkátových výrobků. Vzniká tak choroba silikóza, která se projevuje snížením plicní kapacity a dušností. Přísná bezpečnostní opatření ovšem musí být dodržována při průmyslové výrobě a zpracování silanů a jejich chlorovaných derivátů. Jejich reakce s kyslíkem nebo vlhkostí může způsobit explozi, únik toxického a žíravého chlorovodíku a jiných nebezpečných sloučenin. Otázky 1. Specifikujte historii objevu a využití křemíku. 2. Specifikujte základní fyzikální a chemické vlastnosti křemíku. 3. Popište postupy technologie výroby křemíku. 4. Popište postupy výroby vysoce čistého křemíku. 5. Popište postupy technologie výroby monokrystalů. 6. Specifikujte sloučeniny křemíku jejich vlastnosti a význam. 7. Specifikujte zdravotní rizika spojená se stykem křemíku s živými organismy. 11

Další zdroje [1] Cotton F.A., Wilkinson J.:Anorganická chemie, souborné zpracování pro pokročilé, ACADEMIA, Praha 1973 [2] Holzbecher Z.:Analytická chemie, SNTL, Praha 1974 [3] Remy H.: Anorganická chemie 1. díl, 1. vydání 1961 [4] Greenwood N.N., Earnshaw A.: Chemie prvků 1. díl, 1. vydání 1993 ISBN 80-85427- 38-9 [5] Periodická soustava a tabulka vlastností prvků [6] Chemický vzdělávací portál [7] WebElements (anglicky) [8] Periodická tabulka prvků 12