Krzem i jego właściwości

Krzem (Si – silicium) - to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 14, masie atomowej 28,0855; należy do grupy węglowców. Tworzy on kryształy szare, twarde, kruche. Jest półprzewodnikiem o temperaturze topnienia 1410C, temperaturze wrzenia 2355C, gęstość 2,33 g/cm3. Rozpuszczalny w zasadach, odporny na działanie kwasów (z wyjątkiem azotowego i fluorowodorowego). Jego stopień utlenienia wynosi IV, wyjątkowo II (w fazie gazowej tworzy SiO, a w stałej — polimer (SiO)n). Najważniejsze związki krzemu to: dwutlenek krzemu (krzemionka), kwasy krzemowe i ich sole (krzemiany , krzemki, halogenki krzemu), węglik krzemu , krzemowodory (silany) i związki krzemoorganiczne . Krzem jest jednym z podstawowych składników skorupy ziemskiej (ok. 27% masowych). Jest to pierwiastek najpospolitszy po tlenie, występuje w postaci związków we wszystkich niemal skałach, głównie w postaci glinokrzemianów, krzemianów i dwutlenku krzemu. Jest jednym z głównych pierwiastków w organizmach pierwotniaków, występuje też w roślinach, w śladowych ilościach w tkankach ssaków; otrzymywany przez redukcję dwutlenku krzemu glinem albo magnezem, a w postaci stopu z żelazem (tzw. żelazokrzem) w wyniku prażenia rud żelaza, piasku kwarcowego i węgla. Krzem o dużym stopniu czystości otrzymuje się metodą tzw. topienia strefowego. Krzem czysty chemicznie lub domieszkowany innymi pierwiastkami lub związkami chemicznymi jest stosowany we wszystkich działach przemysłu mikro- i optoelektroniki (także związki krzemu), jest też używany jako dodatek do stali stopowych (na rdzenie transformatorów elektrycznych). Stopy krzemu z żelazem odznaczają się kwasoodpornością i dużą wytrzymałością mechaniczną, z aluminium (silumin) — odpornością na korozję. Krzem jest składnikiem bardzo wielu szkieł metalicznych. Krzem (amorficzny) otrzymał po raz pierwszy 1823 J.J. Berzelius.
Najważniejsze związki krzemu:
Krzemiany - substancje krystaliczne będące solami kwasów krzemowych (słabych kwasów o ogólnym wzorze xSiO 2 • yH2O). Elementem budowy wszystkich krzemianów są tetraedry odpowiadające grupie krzemotlenowej SiO4, w których krzem ma względem tlenu liczbę koordynacyjną 4. W sieci przestrzennej krzemiany mogą występować jako proste (monomeryczne) jony [SiO4]4– (krzemiany wyspowe) lub polianiony (krzemiany grupowe, pierścieniowe, wstęgowe, warstwowe i przestrzenne). Krzemiany są związkami trwałymi, nierozpuszczalnymi w wodzie (oprócz krzemianów litowców). Od przestrzennego układu tetraedrów krzemotlenowych zależy skład chemiczny i właściwości krzemianów (np. twardość, łupliwość, właściwości optyczne). W krystalicznej sieci krzemianów jony krzemu mogą być zastępowane innymi jonami, najczęściej jonami glinu (glinokrzemiany). Krzemiany litowców powstają przez stapianie krzemionki z wodorotlenkami lub węglanami litowców. Krzemiany występują w przyrodzie jako liczne minerały skałotwórcze (należą do głównych składników skorupy ziemskiej). Krzemianami są m.in.: oliwiny, pirokseny, amfibole, serpentyny, łyszczyki, chloryty, kaolin, montmorillonit. Krzemiany nierozpuszczalne w wodzie stanowią surowiec do produkcji materiałów ceramicznych, cementu portlandzkiego oraz szkła. Roztwory wodne krzemianu sodu i potasu tworzą tzw. szkło wodne.
Krzemki - dwuskładnikowe połączenia krzemu z metalami, mające często charakter związków międzymetalicznych. Są to substancje krystaliczne o połysku metalicznym, zwykle bardzo twarde, trudno topliwe, odporne na działanie wody i rozcieńczonych kwasów. Pod działaniem mocnych kwasów tworzą krzemowodory (silany). Otrzymywane są przez stapianie metali z krzemem lub redukcję krzemianów węglem. Krzemek wapnia CaSi2 jest stosowany jako odtleniacz stali, krzemek molibdenu MoSi2 — do wyrobu oporowych elementów grzejnych do pieców elektrycznych. Krzemki, głównie metali szlachetnych (PtSi, IrSi) i lantanowców (m.in. TbSi) są stosowane w technologii materiałów mikroelektronicznych.
Krzemionka (SiO2) - związek nieorganiczny; bezbarwne ciało stałe, odporne na działanie czynników atmosferycznych, wody, kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego). Temperatura topnienia 1710C. Krzemionka ma charakter bezwodnika kwasowego. Stapiany z wodorotlenkami lub węglanami litowców tworzy krzemiany. Syntetyczne kryształy dwutlenku krzemu można otrzymać przez krystalizację na kryształach zarodnikowych, z przesyconych roztworów krzemianów. W przyrodzie bardzo rozpowszechniony - stanowi jeden z głównych składników skorupy ziemskiej; występuje w postaci krystalicznych odmian polimorficznych, głównie jako: kwarc , trydymit, krystobalit oraz, w formie bezpostaciowej substancji mineralnej zawierającej wodę, jako opal. Dwutlenek krzemu stosuje się do produkcji materiałów ogniotrwałych, szkła, materiałów budowlanych (np. cementu portlandzkiego, cegły silikatowej), a amorficzne warstwy dwutlenku krzemu (i kryształy kwarcu) — w technologii materiałów mikro- i optoelektronicznych (warstwy dielektryczne, światłowodowe). Dwutlenek krzemu jest też składnikiem wielu katalizatorów, służy również do otrzymywania krzemu i stopów (np. żelazokrzemu).

Węglik krzemu (SiC) - substancja krystaliczna, w stanie czystym bezbarwna, bardzo twarda (9,5–9,7 w skali 10-stopniowej Mohsa), odporna chemicznie na działanie wysokiej temperatury. Węglik krzemu jest półprzewodnikiem. Techniczny węglik krzemu (tzw. karborund) ma zwykle barwę ciemną (zanieczyszczenie tlenkami metali), a otrzymywany w piecach elektrycznych z piasku kwarcowego i koksu (SiO2 + 3C = SiC + 2CO). Stosowany jest do wyrobu materiałów ściernych, ogniotrwałych, elementów oporowych do pieców elektrycznych (tzw. sylit). Węglik krzemu otrzymywany syntetycznie jest stosowany w produkcji materiałów opto- i mikroelektronicznych.
Związki krzemoorganiczne - to związki organiczne, których cząsteczki zawierają atom krzemu czterowartościowego związany z atomami wodoru, węgla, fluorowca, tlenu lub azotu. Do najważniejszych grup związków krzemoorganicznych należą: krzemowodory , czyli silany (np. H3Si–SiH 3 silan); krzemowęglowodory, czyli alkilo- lub arylosilany, np. metylosilan CH3SiH3, tetrafenylosilan (C6H 5)4Si; fluorowcosilany, np. metylotrichlorosilan CH3SiCl3; silanole, np. silanol H3SiOH, trimetylosilanol (CH3)3SiOH; siloksany, np. heksametylodisiloksan (CH3)3SiOSi(CH3)3; estry sililowe, np. octan trimetylosililu (CH3)3SiOOCCH 3; sililoaminy, np. trisililoamina (H3Si)3 N. Właściwości wymienionych grup związków krzemoorganicznych są podobne do właściwości związków węgla mających analogiczne grupy funkcyjne. Wiązanie Si–Si ma mniejszą trwałość niż wiązanie C–C, natomiast wiązanie Si–O ma większą trwałość niż wiązanie C–O. W związku z tym silany o rozgałęzionych łańcuchach krzemowych są mało trwałe, natomiast dużą trwałością odznaczają się polimery silikonowe zawierające łańcuchy i siatki wiązań –Si–O–Si. Otrzymuje się je w wyniku hydrolizy pochodnych dichloro- lub trichlorosilanów, np. gdzie R — alkil lub aryl. Wiele związków krzemoorganicznych wykazuje aktywność biologiczną; niektóre odznaczają się dużą toksycznością (zwykle działają selektywnie) i bywają wykorzystywane do zwalczania gryzoni. Polimery silikonowe są stosowane do produkcji olejów, smarów, żywic, elastomerów.
Krzemień – jest to skała osadowa pochodzenia chemicznego lub biochemicznego składająca się głównie z bardzo drobnoziarnistego kwarcu, chalcedonu, niekiedy też opalu. Jako domieszki występują: piryt, wodorotlenki żelaza, substancje bitumiczne, kalcyt. Zawartość krzemionki w krzemieniu zwykle przekracza 90% masowych. Jest zazwyczaj czarny, brunatny lub szary, zbity, bardzo twardy; tworzy konkrecje (niekiedy skupienia warstwowe) głównie w wapieniach, marglach i opokach, zwłaszcza wieku kredowego i jurajskiego. W odróżnieniu od czertów są one ostro odgraniczone od skały otaczającej. W Polsce występuje na Wyżynie Krakowsko-Częstochowskiej i Lubelskiej. Wykorzystywane są jako surowiec w przemyśle ceramicznym i materiałów ściernych. W czasach prehistorycznych używany do wyrobu broni i narzędzi, także do krzesania ognia. Był pierwszym surowcem, który pod koniec paleolitu zaczęto wydobywać sposobem górniczym (w Polsce kopalnie w Orońsku i w Krzemionkach).