Krzem (Si)

Krzem w układzie okresowym

Pierwiastek leży w trzecim okresie, czyli w trzecim poziomym rzędzie tablicy — to oznacza, że jego elektrony rozmieszczone są na 3 powłokach. Znajduje się w 14 grupie (blok p — elektrony walencyjne zapełniają podpowłokę p). W tej samej grupie stoją: Węgiel, German, Cyna, Ołów, Flerow — pierwiastki z jednej grupy mają podobną liczbę elektronów walencyjnych, dlatego zachowują się chemicznie podobnie. W temperaturze pokojowej Krzem jest ciałem stałym (topnieje w 1414 °C, wrze w 3265 °C).

Krzem — co to za pierwiastek

Piasek, szkło i każdy procesor, na którym czytasz te słowa.

Właściwości pierwiastka Krzem

Czysty krzem to ciemnoszare, twarde, ale kruche ciało stałe o metalicznym połysku i gęstości 2,329 g/cm³. Topi się w 1414 stopniach Celsjusza, a wrze w 3265. Atomy układają się w sieć taką jak w diamencie, gdzie każdy jest połączony z czterema sąsiadami, co tłumaczy wysoką temperaturę topnienia. Krzem jest półprzewodnikiem: sam przewodzi prąd słabo, ale jego przewodnictwo rośnie z temperaturą i można je precyzyjnie sterować, dodając śladowe ilości boru lub fosforu. W temperaturze pokojowej jest mało aktywny, bo pokrywa się szczelną warstewką tlenku, i nie reagują z nim typowe kwasy; rozpuszczają go natomiast gorące zasady i kwas fluorowodorowy. Ogrzany łączy się z tlenem, chlorowcami, węglem i metalami. Wdychany pył krzemionkowy powoduje pylicę płuc.

Zastosowanie pierwiastka Krzem

Krzem jest fundamentem elektroniki. Z bardzo czystego surowca hoduje się monokryształy, tnie na cienkie płytki i wytrawia na nich miliardy tranzystorów, z których powstają procesory, pamięci i czujniki. Ten sam materiał, w postaci płytek krzemowych, zamienia światło w prąd w panelach fotowoltaicznych. Drugi wielki odbiorca to budownictwo i szkło: piasek kwarcowy stapiany z sodą i wapieniem daje szyby, butelki i naczynia, a krzemiany są głównym składnikiem cementu, betonu, cegieł i ceramiki. Silikony, czyli polimery o szkielecie z naprzemiennych atomów krzemu i tlenu, trafiają do uszczelniaczy łazienkowych, form do pieczenia, smarów, kosmetyków i implantów medycznych, bo znoszą i wysokie, i niskie temperatury. Węglik krzemu służy jako ścierniwo, tarcze tnące i materiał na elementy elektroniki dużej mocy. W metalurgii dodaje się krzem do stopów: żelazokrzem odtlenia stal, a silumin, czyli stop glinu z krzemem, idzie na tłoki i głowice silników. Saszetki żelu krzemionkowego pochłaniają wilgoć w pudełkach, a światłowody prowadzą internet dzięki włóknom z bardzo czystej krzemionki.

Krzem — najważniejsze związki chemiczne

Podstawowy związek to tlenek krzemu(IV) SiO₂, czyli krzemionka: piasek, kwarc, kryształ górski, surowiec na szkło. Z zasadami tworzy krzemiany, na przykład Na₂SiO₃, znany jako szkło wodne, używany do impregnacji i klejenia. Krzemiany i glinokrzemiany budują skalenie, miki, gliny i większość skał skorupy ziemskiej. Węglik krzemu SiC, czyli karborund, jest wyjątkowo twardy i odporny na temperaturę. Tetrachlorek krzemu SiCl₄ i silan SiH₄ służą do otrzymywania krzemu o czystości elektronicznej i do produkcji włókien światłowodowych. Osobną rodziną są silikony, tworzywa o łańcuchach zbudowanych na przemian z atomów krzemu i tlenu, odporne na wysoką i niską temperaturę oraz na wodę.

Krzem — gdzie go spotykasz

• piasek
• szkło
• procesory
• panele słoneczne
• beton

Krzem w szkole — co trzeba wiedzieć

Krzem stoi w grupie 14, tuż pod węglem, ma konfigurację [Ne] 3s² 3p² i cztery elektrony walencyjne, stąd wartościowość IV i stopień utlenienia plus cztery. Zaliczamy go do półmetali, więc na pytanie o kategorię nie odpowiadamy metal ani niemetal. Najczęstsza pomyłka dotyczy nazw: krzem to pierwiastek Si, krzemionka to jego tlenek SiO₂, a silikon to sztuczne tworzywo; angielskie silicon i silicone to dwie różne rzeczy. Trzeba pamiętać, że SiO₂ jest tlenkiem kwasowym, ale nie reaguje z wodą, tylko z mocnymi zasadami. Warto też znać kolejność występowania w skorupie ziemskiej: pierwszy jest tlen, drugi krzem, a odpowiednie liczby z tablic to 461 000 i 282 000 mg na kilogram. Proste skojarzenie na sprawdzian: piasek to tlenek krzemu, a szkło to przetopiony piasek.

Krzem — historia odkrycia

Chemicy XVIII wieku podejrzewali, że krzemionka jest tlenkiem nieznanego pierwiastka, ale nie potrafili go z niej wydobyć, bo wiązanie z tlenem jest bardzo mocne. Udało się to w 1824 roku Jönsowi Jacobowi Berzeliusowi, który ogrzewał związek fluorokrzemowy z potasem, a otrzymany brązowy proszek starannie oczyścił z produktów ubocznych. Nazwę utworzono od łacińskiego silex, czyli krzemień, bo z krzemienia ludzie robili narzędzia i krzesali ogień na długo przed narodzinami chemii. Krystaliczną odmianę, tę o metalicznym połysku, otrzymano dopiero kilkadziesiąt lat później, a technologia oczyszczania krzemu do poziomu potrzebnego elektronice powstała w połowie XX wieku.

Krzem — skąd wzięła się nazwa

łac. silex — krzemień

Krzem — izotopy

krzem-28 dominuje

Krzem — bezpieczeństwo

Wdychany pył krzemionkowy powoduje pylicę.

Ciekawostki o pierwiastku Krzem

• Cała elektronika świata stoi na drugim najczęstszym pierwiastku skorupy.
• Metodę hodowania monokryształów, którą wytwarza się płytki na procesory, opracował polski chemik Jan Czochralski.
• Karborund, czyli węglik krzemu, jest tak twardy, że robi się z niego papier ścierny i tarcze do cięcia betonu.
• Nazwa Doliny Krzemowej pochodzi wprost od materiału, z którego wytwarza się układy scalone.

Najczęstsze pytania o pierwiastek Krzem