Występowanie i otrzymywanie

Krzem ( Rys. 1 ) jest drugim, po tlenie co do częstości występowania, pierwiastkiem w przyrodzie. Jego zawartość w litosferze wynosi 27,7 \( \% \). Występuje najczęściej w postaci glinokrzemianów: kaolinitu \( [Al_4(OH)_8][Si_4O_{10}] \), silimanitu \( Al_2SiO_5 \), albitu \( Na[AlSi_3O_8] \), ortoklazu \( K[AlSi_3O_8] \), a także w postaci tlenku krzemu (IV) \( SiO_2 \) – krzemionki (piasku) oraz kwarcu. Wiele kamieni szlachetnych i półszlachetnych składa się głównie z tlenku krzemu (IV), są to: agat, ametyst, jaspis, krzemień, krzemień pasiasty – minerał występujący wyłącznie na terenie Polski, kryształ górski, karneol, morion, onyks i opal.

Przemysłowo krzem najczęściej otrzymuje się poprzez redukcję tlenku krzemu węglem:

Monokrystaliczny krzem pierwiastkowy, o wysokiej czystości otrzymuje się metodą Czochralskiego.
Otrzymywanie monokryształu ( Rys. 2 ) polega na stopieniu kawałków krzemu, a następnie powolnym i stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego, w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Uzyskany w ten sposób monokryształ ma taką samą orientację krystalograficzną, jak zarodek krystalizacji.

Właściwości fizyczne

Krzem elementarny tworzy szaroczarne, silnie błyszczące kryształy, podobne w strukturze do grafitu. Wykazuje własności półprzewodnikowe. Półprzewodniki krzemowe domieszkuje się atomami pierwiastków o wyższej lub niższej wartościowości niż Si, poziom domieszkowania wynosi ok. 1 atom domieszki na 100 000 atomów krzemu. W przypadku wprowadzenia do sieci krystalicznej Si pierwiastka o wyższej wartościowości, np. As lub P, nadmiarowe elektrony przemieszczają się po sieci krystalicznej. Półprzewodnik taki nazywamy półprzewodnikiem typu n (półprzewodnik elektronowy). W przypadku domieszkowania pierwiastkiem o niższej wartościowości, np. B, który ma tylko 3 elektrony, brakuje jednego elektronu do utworzenia wiązań ze wszystkimi sąsiednimi atomami krzemu. Powstaje wtedy luka elektronowa, którą może zapełnić elektron przeskakując z atomu Si z czterema wiązaniami. Luka (dziura) elektronowa "wędruje" dalej po krysztale Si. Takie przewodnictwo nazywamy przewodnictwem typu p (dziurowym). Rys. 3 prezentuje obydwa rodzaje przewodzenia.

Krzem, podobnie jak węgiel, tworzy łańcuchy -Si-Si-, -Si-O-Si- oraz -Si-N-Si. Istnieje dość liczna (około 300 tys.) grupa takich związków.

Właściwości chemiczne

W temperaturze pokojowej krzem jest obojętny, wiąże się tylko z fluorem. W wyższych temperaturach reaguje z wieloma metalami – azotem, chlorem i tlenem atmosferycznym – tworząc z nim warstewkę dwutlenku krzemu (krzemionki). Jest praktycznie nierozpuszczalny we wszystkich kwasach. Wyjątek stanowi tu tylko mieszanina kwasu azotowego i fluorowodorowego. Łatwo rozpuszcza się w gorących ługach tworząc krzemiany.

Informacja dodatkowa 1: Zastosowanie

Monokryształy krzemu są podstawowym materiałem używanym w przemyśle elektronicznym do produkcji układów scalonych oraz wielu mikrourządzeń ( Rys. 4 ).

Rysunek 4: Krzem monokrystaliczny w postaci płytek oraz wałka otrzymanego metodą Czochralskiego.

Krzem dodawany do stali zmienia jej właściwości powodując zmniejszenie pętli histerezy (budowa rdzeni transformatorów), czy zwiększenie odporności na substancje żrące (pojemniki). Dodawany jest także do stopów miedzi: brązu i mosiądzu.
Krzemionka oraz jej równie trwałe i odporne chemicznie pochodne są podstawą takich przemysłów jak szklarski (emalie, szkło), czy budowlany (cementy, cegły).

Dwutlenek krzemu jest dopuszczony do stosowania w produktach spożywczych jako substancja przeciwzbrylająca (E551).

Najważniejsze związki

\( SiO_2 \) – tlenek krzemu (IV), kwarc, stosowany przy produkcji materiałów ściernych, w przemyśle ceramicznym, szklarskim ( Rys. 5 ), budowlanym, optycznym, w elektronice (piezokwarc, wyświetlacz ciekłokrystaliczny), do wyrobu detergentów, farb, pasty do zębów, kamieni ozdobnych.
Amorficzny przechłodzony ciekły \( SiO_2 \) tworzy szkło.

\( SiC \) – węglik krzemu, zwany karborundem ze względu na swoją twardość, która zawiera się pomiędzy twardością diamentu i korundu ( \( Al_2O_3 \)). Oprócz wytwarzania papierów ściernych o różnej gradacji, stosowany jest do pokrywania powierzchni ciernych pracujących w wysokich temperaturach (powierzchni bocznych cylindrów silników, osłon termicznych w pojazdach kosmicznych itp.). W czystej postaci (moissanit) jest niekiedy wykorzystywany do produkcji biżuterii jako kamień ozdobny. Jednym z najnowszych zastosowań węgliku krzemu jest produkcja tranzystorów mikrofalowych [1].
\( H_{2n}Si_mO_{2m+n} \) kwasy krzemowe i ich sole – krzemiany.

Krzemiany stanowią ponad 90 \( \% \) skał tworzących skorupę ziemską, w przyrodzie występuje około pięciuset minerałów z tej grupy. Są to krystaliczne lub amorficzne związki składające się z głównie z krzemu i tlenu. Głównym motywem strukturalnym krzemianów są tetraedry zbudowane z atomu Si znajdującego się w środku i otoczonego czterema atomami O umieszczonymi na wierzchołkach. Czworościany utworzone przez \( SiO_4 \) mogą łączyć się narożami. Powstają w ten sposób łańcuchy ( Rys. 6 ), które wiążą kationy metali przez zneutralizowanie ładunków elektrycznych.

Złożoność struktur tetraedrycznych zależy głównie od temperatury, w jakiej powstaje minerał. W wysokiej temperaturze tworzą się izolowane czworościany (oliwiny) lub krótkie łańcuchy. W miarę spadku temperatury tworzy trójwymiarowy szkielet (kwarc).
Występuje możliwość zastępowania atomów krzemu przez atomy glinu. Takie krzemiany noszą nazwę glinokrzemianów.