Křemík

Vydáno: 24. 05. 2013; Poslední aktualizace: 29. 07. 2024; Autor: Zdeněk Moravec

Křemík (lat. Silicium) je polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů.

Atomové číslo14Počet stabilních izotopů3
Atomová hmotnost28,0855Elektronová konfigurace[Ne] 3s2 3p2
Teplota tání [°C]1413,85Teplota varu [°C]3264,85
Elektronegativita1,9Hustota [g.cm-3]2,3290
Vlastnosti křemíku

Izotopy

Přírodní křemík se skládá ze tří izotopů, největší zastoupení má izotop 28Si. Jediným NMR aktivním izotopem je 29Si. Dále známe 20 radioizotopů.

IzotopJaderný spinZastoupení [%]Atomová hmotnost
28092,2227,9769
29+1/24,6928,9765
3003,0929,9738
Stabilní izotopy křemíku

31Si

Izotop 31Si se využívá pro studium procesů, ve kterých je zapojen křemík. Byl využit např. k optimalizaci zpracování křemíku v polovodičovém průmyslu.[9] Jeho poločas přeměny je 2,62 hodiny:

$$^{31}_{14}\textrm{Si}\ \rightarrow\ ^{31}_{15}\textrm{P}\ +\ ^{\ \ 0}_{-1}\beta^-$$

Připravuje se ostřelováním křemíku pomalými neutrony nebo fosforu rychlými neutrony:

$$^{30}_{14}\textrm{Si}\ +\ ^1_0\textrm{n}\ \rightarrow\ ^{31}_{14}\textrm{Si}\ +\ \gamma \\
^{31}_{15}\textrm{P}\ +\ ^1_0\textrm{n}\ \rightarrow\ ^{31}_{14}\textrm{Si}\ +\ ^1_1\textrm{p}$$

Výskyt

Křemík je druhým nejběžnějším prvkem v zemské kůře. Elementární křemík se v přírodě nevyskytuje, nejběžnější formou je křemen – oxid křemičitý, SiO2. Poprvé jej objevil, roku 1787, Antoine Lavoisier v horninách (pazourku), kdy předpokládal, že oxid křemičitý je sloučeninou dvou prvků.

Elementární křemík má strukturu diamantu a stříbřitě lesklý vzhled.

Chemické vlastnosti

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 křemíku 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 redukcí tetrahalogenidů křemíkem za vyšší teploty, mají strukturu analogickou karbenům, jsou také silně reaktivní.

SiF2 můžeme připravit průchodem fluoridu křemičitého přes křemíkové granule za teploty vyšší než 1050 °C. Látka je stabilní pouze v plynné fázi, při ochlazení pod -70 °C vzniká červený polymer (SiF2)x.

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
SiO2 + 6 HF → H2SiF6 + 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. Využívá se i pro výrobu kyvet pro UV/VIS spektrofotometrii.

Kyveta pro UV oblast. Zdroj: semfmaster/Commons

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

Další sloučeniny křemíku

V roce 2023 byla publikována příprava silapyramidanu a jeho derivátů.

Zajímavou skupinou sloučenin jsou i silafullerany, analogy uhlíkových fullerenů.

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
Gyromagnetický poměr-0.55529

Přírodní křemík obsahuje tři izotopy (28,29 a 30), z nichž je pouze jeden aktivní v NMR29Si. 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)-propansulfonová kyselina).

Struktura TMS a 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
  9. HÁLA, Jiří. Radioaktivní izotopy. Tišnov: Sursum, 2013. ISBN 978-80-7323-248-1.

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

12 Replies to “Křemík”

Leave a Reply

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..