Křemík

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.

Atomové číslo14Počet stabilních izotopů2
Atomová hmotnost28,0855Elektronová konfigurace[Ne] 3s2 3p2
Teplota tání [°C]1413,85Teplota varu [°C]3264,85
Elektronegativita1,9Hustota [g.cm-3]2,3290

Křemík je druhým nejběžnějším prvkem v zemské kůře. Elementární křemík se v přírodě nevyskytuje, nejběžnější formou je křemen – oxid křemičitý, SiO2.

Je reaktivnější než uhlík, za vysokých teplot reaguje s kyslíkem, halogeny, sírou, dusíkem, fosforem, borem i uhlíkem za vzniku binárních sloučenin. Se zásaditými roztoky reaguje za vzniku vodíku, v kyselinách se nerozpouští, jedinou výjimkou je směs kyseliny dusičné a fluorovodíkové.

Chemie silanů – binárních sloučenin křemíku s vodíkem – je poměrně rozsáhlá a zajímavá. První silany byly připraveny již roku 1857 reakcí slitiny hliníku a křemíkem s kyselinou chlorovodíkovou. V současnosti známe rozvětvené i lineární silany, SinH2n+2 až po n=8. Dosud se ale nepodařilo připravit analogy nenasycených a cyklických uhlovodíků.

SilanTeplota tání [°C]Teplota varu [°C]
SiH4-185-111,8
Si2H6-132,5-14,3
Si3H8117,253,1
Si4H10-89,9108
Iso-Si4H10-99,1101

Silany jsou podstatně reaktivnější než uhlovodíky. Jejich pyrolýzou vznikají polymerní látky a při vysokých teplotách pak Si a H2. Toho se využívá při pyrolytické výrobě vysoce čistého Si z SiH4.

Tetrahalogenidy vytváří se všemi halogeny. Dihalogenidy vznikají reakcí křemíku s tetrahalogenidy za vyšší teploty, mají strukturu analogickou karbenům, jsou také silně reaktivní.

Oxid křemičitý

Oxid křemičitý, SiO2, je pevná látka, vyskytuje se ve velkém množství modifikací. Většina jeho modifikací je sestavena z tetraedrů SiO4, které jsou propojeny přes atom kyslíku (vrchol tetraedru). Známe tři modifikace stabilní za atmosférického tlaku.

  • Křemen – nízkoteplotní modifikace, je stabilní do teploty 870 °C
  • Tridymit – vysokoteplotní modifikace. Známe sedm krystalických forem.
  • Kristobalit – vysokoteplotní modifikace. Je stabilní pouze nad teplotou 1470 °C.
Modifikace SiO2
Modifikace SiO2

Chemicky je oxid křemičitý poměrně inertní. Rozpouští se pouze v kyselině fluorovodíkové a koncentrovaných alkalických hydroxidech. Za vyšší teploty reaguje i s uhlíkem a vodíkem.

SiO2 + 4 HF → SiF4 + 2 H2O

Jednou z důležitých aplikací je křemenné sklo, které je chemicky i tepelně velmi odolné. Vydrží velké teplotní šoky, má totiž malý koeficient tepelné roztažnosti.

V roce 2020 byla objevena nová forma oxidu křemičitého vznikající během dopadu meteoritů.[7,8]

NMR

 29Si
Spin1/2
Zastoupení v přírodě [%]4,6832
Rozsah chemických posunů-346 – 173
Citlivost vzhledem k 1H0,00786
Citlivost vzhledem k 13C2,16
Rezonanční frekvence v poli 1 T8,4655
Gyroagnetický poměr-0.55529

Přírodní křemík obsahuje tři izotopy (28,29 a 30), z nichž je pouze jeden aktivní v NMR – 29Si. Jeho přirozené zastoupení je 4,6 % a má jaderný spin 1/2. Citlivost je srovnatelná s 13C NMR, ale relaxační časy jsou podstatně delší. Na běžné měření s 90° pulsem, u kapalných i pevných vzorků, je nutné nastavit čas D1 minimálně na 5 s. Standardem je roztok TMS (tetramethylsilan), v pevné fázi se často využívá DSS (3-(trimethylsilyl)-pentansulfonová kyselina).

Struktura DSS
Struktura DSS

Chemické posuny

SloučeninaChemické posuny [ppm]
Silyly přechodných kovů170 – -90
Silany20 – -130
TMS0
Halogenidy křemíku-50 – -350
Silikáty-50 – -120
Šestikoordinovaný křemík-120 – -200

Spektrum tetrakis(trimethylsilyl)silanu

Já používám jako standard pro 29Si NMR roztok Si(OSiMe3)4 v C6D6. Ve spektru jsou dva signály, intenzivnější patří trimethylsiloxy- skupinám, druhý signál patří centrálnímu atomu křemíku, pod ním je vidět široký signál pocházející ze skla NMR kyvety.

Spektrum (Me3SiO)4Si v C6D6
Spektrum Si(OSiMe3)4 v C6D6

Odkazy

  1. Křemík na české wikipedii
  2. Křemík na anglické wikipedii
  3. Nový allotrop křemíku
  4. Chemistry of low valent silicon – Roesky, H.W.; J. Organomet. Chem. 2013, 730, 57-62
  5. Trojná vazba mezi osmiem a křemíkem
  6. Silicon NMR
  7. Structural response of α-quartz under plate-impact shock compression
  8. Meteorite strikes may create unexpected form of silica

Navigace

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

5 Replies to “Křemík”

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.