Krzem (Si)

Ten półmetaliczny pierwiastek został odkryty w 1823r przez szwedzkiego chemika Jonsa Jakoba Berzeliusa. Łacińska nazwa pochodzi od łacińskiego słowa silex- krzemień, nazwa polska wywodzi się od łacińskich słów lapis cremans-kamień dający ogień, krzemień.
Obecnie wolny krzem w skali laboratoryjnej otrzymuje się przez redukcję krzemionki magnezem lub glinem, zaś w skali przemysłowej przez prażenie w piecu elektrycznym mieszaniny kwarcu, węgla i żelaza.
Mając wielkie powinowactwo do tlenu, krzem nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym. Związki krzemu są natomiast bardzo rozpowszechnione i dominują w świecie mineralnym w postaci krzemianów, głównie glinokrzemianów. Najpospolitszym związkiem nieorganicznym krzemu jest dwutlenek krzemu Sio2 występujący w różnych postaciach (kwarc, krzemionka, kryształ górski, ametyst, agat, jaspis, chalcedon, trydymit, krystobalit itd.).
Po tlenie krzem jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem, stanowi 25,45% skorupy ziemskiej. Gdy pominie się tlen, to tyle samo jest krzemu, co i wszystkich innych pierwiastków razem wziętych. Wolny krzem wydziela się w postaci stalowoszarych, bardzo twardych, ale kruchych kryształów albo jako brunatny proszek.
W układzie okresowym pierwiastków krzem znajduje się w grupie IV tuż pod węglem w głównej rodzinie węglowców. Jego zawartość wynosi prawie zawsze +4, jego atom oddaje więc z poziomu zewnętrznego 4 elektrony.
Mimo to w zasadzie należy do niemetali, jest kwasotwórczy (wchodzi w skład anionu Sio; wzór kwasu krzemowego H2Sio3 jest analogiczny do kwasu węglowego H2CO3 ). Krzem stoi na pograniczu między niemetalami a metalami. Jego odmiana krystaliczna wprawdzie słabo, ale przewodzi prąd elektryczny, podobnie jak grafit; krzem tworzy również stopy z metalami. Zalicza się go do półprzewodników.
Na podkreślenie inne połączenia krzemu, a mianowicie z wodorem. Analogicznie do organicznych związków węgla krzem tworzy podobne do węglowodorów połączenia, tzw. Krzemowodory, czyli silany, zbudowane zupełnie tak samo jak węglowodory (najprostszy z nich to SiH4). Związki te nie występują w przyrodzie, otrzymuje się je sztucznie, ale wykazują dużo cennych zalet.
Są bardzo trwałe, odporne na wysoką temperaturę, na działanie chemikalii i wilgoci, mają doskonałe własności izolacyjne itp. Toteż znajdują coraz szersze zastosowanie. Wyrabia się z nich smary, żywice, oleje, lakiery, elastyczną gumę, rodzaj ebonitu, szyby. Służą do impregnacji tkanin, pokrywania części metalowych dla ochrony przed korozją i wilgocią. Krzem dodawany do stali zmienia jej właściwości powodując zmniejszenie pętli histerezy (budowa rdzeni transformatorów ) czy zwiększenie odporności na substancje żrące (pojemniki ). Dodawany jest także do stopów miedzi, brązu i mosiądzu. Półprzewodzący krzem , ze względu na dostępność, podstawowym budulcem póprzewodnikowych urządzeń elektronicznych . Krzemionka oraz jej równie trwałe i odporne chemicznie pochodne są podstawą takich przemysłów jak: szklarski (emalie, szkło) czy budowlany (cementy, cegły). Tworzy ona wiele odmian i struktur krystalicznych, spośród, których naibardziej popularny jest kwarc używany do produkcji m.in. szkła laboratoryjnego i lamp ultrafioletowych (ze względu na przepuszczanie promieniowania ultrafioletowego ). Najważniejszą solą kwasu krzemowego jest bezbarwny i amorficzny krzemian sodowy Na2SiO3. rozpuszczony w wodzie tworzy tzw. szkło wodne używane do konserwowania jaj, jako klej, niepalny dodatek do ogniotrwałych substancji, wypełniacz oraz składnik substancji czyszczących i mydła. Twardy karborund, związek krzemu i węgla, stosuje się go jako materiał ścierny. Krzem niewątpliwie można zaliczyć do pierwiastków przyszłości.
Zastosowanie wolnego krzemu jest dużo skromniejsze, wzrasta jednak ostatnio również z powodu wielkiego powinowacstwa do tlenu ma krzem zastosowanie jako odtleniacz do stopów miedzi. Stosowany jest też do stopów z żelazem, stalą (ferrokrzem), glinem itd. Krzem polepsza ich własności mechaniczne i odporność na korozję. Technika fal krótkich stosuje detektory krzemowe. Z krzemu albo germanu wytwarza się soczewki do promieni podczerwonych. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajduje krzem jako półprzewodnik w tranzystorach. Do tego celu potrzebny jest krzem nadzwyczaj czysty. Niedawno opracowano specjalną technikę oczyszczania krzemu, opartą na reakcji stopionego krzemu z parą wodną i wodorem w obecności boru, który się utlenia. W ten sposób uzyskuje się bardzo czyste kryształy krzemu: na 1mld krzemu przypada najwyżej 1 atom obcy. Stosowana jest też tzw. metoda topienia strefowego polegająca na tym, że materiał, który chcemy oczyścić, topi się odcinkami. Operację powtarza się wielokrotnie, zaczynając topienie zawsze od tego samego miejsca ( np. od końca pręta ). W ten sposób uzyskuje się materiał wysoko oczyszczony; wygląda to tak, jakby zanieczyszczenia spłynęły, przesunęły się w jedno miejsce ( w drugi koniec pręta ). Metoda ta opiera się na fakcie, że skład substancji różni się od składu fazy ciekłej, podobnie jak przy oczyszczeniu przez krystalizację lub destylację. Metoda ta jest coraz częściej stosowana w technice.
Najnowszym sukcesem (1961 ) są tranzystory wykonane z węgliku krzemu SiC, czyli karborundu. Mają one tę zaletę, że pracują sprawnie jeszcze w temperaturze 3500 C; germanowe tranzystory wytrzymują najwyżej temperaturę 950 C, krzemowe zaś do 2000 C. Karborund używany jest również jako materiał szlifierski, ponieważ jest bardzo twardy. Z niego otrzymuje się też drogą rozkładu czysty sztuczny grafit. Wolny krzem topi się dopiero w 14130 C, a wrze w 26300C, jego gęstość równa się 2,33 g/cm3.


DODATEK!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Krzem tworzy szaroczarne, silnie błyszczące kryształy, podobne do diamentu lub brązową postać amorficzną. Jest ważnym półprzewodnikiem. Ze względu na dużą reaktywność, w odróżnieniu od będącego w tej samej grupie węgla, nie występuje w przyrodzie w stanie wolnym. W pokojowych temperaturach jest bardzo obojętny, wiąże się tylko z fluorem. W wyższych temperaturach reaguje z wieloma metalami, azotem, chlorem i tlenem atmosferycznym tworzą z nim warstewkę dwutlenku krzemu (krzemionki). Jest praktycznie nierozpuszczalny we wszystkich kwasach. Wyjątek stanowi tylko mieszanina kwasu azotowego i fluorowodorowego. Łatwo rozpuszcza się w gorących ługach tworząc krzemiany. Wdychanie dużych ilościach pyłu krzemieniowego prowadzi do poważnej choroby płuc.
występowanie
Krzem jest, po tlenie, najbardziej rozpowszechnianym pierwiastkiem na Ziemi. Jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi około 28%. Najważniejsze jego związki to krzemian (szczególnie litowców i berylowców )