úvod
Pozri sa okolo seba: sklo v okne, betón v stene, hrnček z porcelánu, piesok na ihrisku a v mobile čip s miliardami tranzistorov. Vo všetkom je kremík, druhý najrozšírenejší prvok zemskej kôry. Z kremíka a kyslíka je väčšina hornín pod našimi nohami. V tejto lekcii zistíš, prečo je kremík taký dôležitý pre elektroniku a ako sa z obyčajného piesku stane sklo.
teória
Vlastnosti kremíka
Kremík (latinsky silicium, značka Si) je prvok 14. skupiny, hneď pod uhlíkom. Čistý kremík je sivý, kovovo lesklý, tvrdý a krehký. Topí sa pri 1 414 °C. Vyzerá ako kov, ale vlastnosťami stojí medzi kovmi a nekovmi, patrí medzi polokovy (lekcia Kovy, nekovy a polokovy).
Kremík je polovodič. Elektrický prúd vedie oveľa horšie ako kovy, ale lepšie ako izolanty, a jeho vodivosť sa dá presne riadiť. Na rozdiel od kovov vedie kremík prúd lepšie, keď sa zohreje. Z tenkých plátkov veľmi čistého kremíka sa vyrábajú čipy, tranzistory a solárne články.
Atóm kremíka má konfiguráciu valenčnej vrstvy 3s² 3p² a podobne ako uhlík tvorí štyri kovalentné väzby s hybridizáciou sp³. Kryštál kremíka má rovnakú štruktúru ako diamant. Väzby medzi atómami kremíka sú však dlhšie a slabšie ako medzi atómami uhlíka, preto kremík netvorí dlhé reťazce ako uhlík. Naopak väzba medzi kremíkom a kyslíkom je veľmi pevná, a tak je kremík v prírode takmer vždy viazaný s kyslíkom. V zlúčeninách má najčastejšie oxidačné číslo +IV.
Polovodiče vedú prúd preto, lebo niektoré elektróny sa tepelným pohybom uvoľnia z väzieb. Vodivosť sa dá zvýšiť prímesou, dopovaním. Keď do kremíka pridáme fosfor s piatimi valenčnými elektrónmi, jeden elektrón zostane voľný a vznikne polovodič typu n. Bór s tromi elektrónmi vytvorí v mriežke chýbajúci elektrón, dieru, a vznikne polovodič typu p. Na rozhraní oboch typov vzniká dióda a z viacerých vrstiev tranzistor.
teória
Kde sa kremík nachádza
Kremík tvorí asi 28 % hmotnosti zemskej kôry, viac je len kyslíka. Voľný sa v prírode nevyskytuje, je viazaný s kyslíkom:
- Oxid kremičitý SiO₂ tvorí kremeň, najbežnejší minerál. Jeho priehľadná odroda je krištáľ, fialová ametyst. Piesok je z väčšej časti z kremeňa, oxid kremičitý je aj v pazúriku, achátoch a opáloch.
- Kremičitany tvoria väčšinu hornín: živce, sľudy a íly. Žula je zmes kremeňa, živca a sľudy.
- V živých organizmoch: z oxidu kremičitého sú schránky drobných morských rozsievok, pevnosť mu vďačia steblá tráv aj prasličky.
teória
Výroba kremíka
Kremík sa vyrába redukciou kremenného piesku uhlíkom v elektrickej peci pri teplote okolo 2 000 °C:
Takto vzniká technický kremík s čistotou asi 99 %. Pridáva sa do zliatin hliníka a ocele a vyrábajú sa z neho silikóny. Na čipy a solárne články musí byť kremík oveľa čistejší, pozri rozšírenie na konci lekcie.
Technický kremík sa čistí tak, že sa premení na kvapalný trichlórsilán SiHCl₃, ktorý sa dá vyčistiť destiláciou. Potom sa na rozžeravených kremíkových tyčiach rozloží späť na kremík vodíkom:
Z vyčisteného kremíka sa vyťahujú monokryštály Czochralského metódou: zárodočný kryštál sa ponorí do taveniny a pomaly otáča a vyťahuje nahor. Vznikne valec monokryštálu s hmotnosťou aj stovky kilogramov, ktorý sa nareže na tenké plátky.
teória
Oxid kremičitý a sklo
Oxid kremičitý je tvrdý, vo vode nerozpustný a chemicky veľmi odolný. Topí sa až pri asi 1 700 °C. Nereaguje s bežnými kyselinami, len s kyselinou fluorovodíkovou, ktorá sklo leptá (lekcia Halogény).
Sklo vzniká tavením zmesi kremenného piesku, sódy a vápenca pri teplote okolo 1 500 °C. Roztavená hmota pri chladnutí nestihne vykryštalizovať a stuhne na amorfnú, priehľadnú látku. Sklo nemá presnú teplotu topenia, pri zahrievaní postupne mäkne, a preto sa dá fúkať a ohýbať. Na Slovensku má výroba skla dlhú tradíciu, známa je napríklad sklárňa v Lednických Rovniach.
| druh skla | čo obsahuje | použitie |
|---|---|---|
| sodno-vápenaté | piesok, sóda, vápenec | okná, fľaše, poháre |
| borosilikátové | pridaný oxid boritý | laboratórne sklo a varné nádoby, znesie náhle zmeny teploty |
| olovnaté (krištáľové) | pridaný oxid olovnatý | brúsené poháre, silno láme svetlo |
| kremenné | čistý oxid kremičitý | optické vlákna, žiarovky do lámp, znesie vysoké teploty |
Farebné sklo sa farbí oxidmi kovov: kobalt dá modrú, chróm a železo zelenú a meď alebo zlato červenú farbu.
Oxid kremičitý je kyslý oxid, hoci s vodou nereaguje. So zásadami a zásaditými oxidmi reaguje za horúca na kremičitany. Roztok kremičitanu sodného je vodné sklo, ktoré sa používa ako lepidlo a na ochranu dreva pred ohňom. Z vodného skla je Chemická záhradka aj Skákalka z vodného skla:
V kremeni je každý atóm kremíka obklopený štyrmi atómami kyslíka do štvorstena SiO₄ a každý atóm kyslíka spája dva štvorsteny. Vznikne obrovská kovalentná sieť bez samostatných molekúl, preto je kremeň tvrdý a topí sa pri vysokej teplote. Oxid uhličitý naopak tvorí malé molekuly O=C=O a je plyn. Ako silné redukovadlo dokáže oxidu kremičitému odobrať kyslík aj lítium, pozri pokus Lítium s kremíkom.
teória
Kremičitany, keramika a cement
Kremičitany sú soli kyselín kremíka. Tvoria väčšinu hornín a ľudia z nich odpradávna vyrábajú stavebné hmoty:
- Keramika: íl sa zmieša s vodou, vytvaruje a vypáli. Z hrubších ílov sú tehly a kvetináče, z bieleho kaolínu so živcom a kremeňom porcelán.
- Cement: zmes vápenca a ílu sa páli pri teplote okolo 1 450 °C na slinok, ktorý sa pomelie. Po zmiešaní s vodou cement tvrdne aj pod vodou. Z cementu, piesku, štrku a vody vzniká betón.
- Azbest je vláknitý kremičitan, ktorý sa kedysi používal na izoláciu a strechy. Jeho vlákna však spôsobujú rakovinu pľúc, preto je dnes zakázaný.
Pri práci s kremenným prachom treba chrániť dýchacie cesty. Dlhodobé vdychovanie jemného kremeňa spôsobuje ochorenie pľúc silikózu.
teória
Silikóny
Silikóny sú polyméry s kostrou zo striedajúcich sa atómov kremíka a kyslíka, na ktoré sú naviazané organické skupiny. Kostra je stála ako v kremeni a organické skupiny ju robia pružnou. Silikóny odpudzujú vodu, nevedú prúd a znesú teploty od −60 °C do vyše 200 °C. Sú z nich tesniace hmoty, formy na pečenie, hadičky v nemocniciach, implantáty, oleje a mazivá aj prísady do šampónov.
Roztrieď veci podľa toho, ktorá podoba kremíka v nich je.
vyskúšaj si
Kremík a jeho zlúčeniny
Z čoho je vec na karte: z čistého kremíka, z oxidu kremičitého, z kremičitanov alebo zo silikónu?
0 / 0Klikni na kartu a potom na skupinu: čistý kremík, oxid kremičitý, kremičitany alebo silikóny. Po každej karte sa dozvieš, prečo tam patrí.
rozšírenie Deväť deviatok
Kremík v čipoch musí byť neskutočne čistý, s čistotou 99,9999999 %, teda deväť deviatok za sebou. Na miliardu atómov kremíka pripadá najviac jeden cudzí atóm. Keby bol takto čistý piesok, v jednom kubickom metri, teda asi v plnom prívesnom vozíku, by boli len jedno či dve cudzie zrnká.
Z vyčisteného kremíka sa vyťahujú monokryštály metódou, ktorú v roku 1916 objavil poľský chemik Jan Czochralski celkom náhodou. Namiesto do kalamára namočil pero do téglika s roztaveným cínom a vytiahol tenké vlákno, ktoré bolo jediným kryštálom. Dnes sa tak vyťahujú valce kremíka hrubé 30 cm a dlhé dva metre.
Valce sa narežú na tenké plátky, wafery. Na každom plátku sa svetlom, chemikáliami a iónovými lúčmi vytvoria stovky čipov, každý s miliardami tranzistorov menších ako vírus. Všetko prebieha v čistých priestoroch, kde je vo vzduchu oveľa menej prachu ako v nemocničnej operačnej sále. Oblasť v Kalifornii, kde vyrástli najväčšie firmy vyrábajúce čipy, dostala meno Silicon Valley, Kremíkové údolie.
teória
Časté chyby
- „Kremík a silikón sú to isté.“ Kremík je prvok, sivý polokov. Silikón je polymér, ktorý kremík obsahuje spolu s kyslíkom a organickými skupinami.
- „Sklo je kvapalina, ktorá veľmi pomaly tečie.“ Sklo je amorfná tuhá látka. Staré okná sú dole hrubšie preto, lebo sklári nevedeli vyrobiť rovnomerne hrubé tabule a hrubší koniec dávali dole.
- „Kremík vedie prúd ako kov.“ Kremík je polovodič, vedie prúd oveľa horšie ako kovy a so zvyšujúcou sa teplotou lepšie, nie horšie.
- „Piesok je vždy čistý kremeň.“ Piesok obsahuje hlavne kremeň, ale aj zrnká živcov, sľúd a iných minerálov. Na plážach tropických ostrovov je často z úlomkov koralov a ulít, teda z uhličitanu vápenatého.
- „Kremík v prírode nájdeme ako lesklé kúsky.“ Voľný kremík v prírode nie je, je vždy viazaný s kyslíkom v kremeni a kremičitanoch.
Kremíkov sused v 14. skupine je uhlík, ktorý na rozdiel od neho tvorí dlhé reťazce. V ďalšej lekcii Dusík spoznáš plyn, ktorý tvorí takmer štyri pätiny vzduchu.