VOJTA & MARTIN COMPANY

Křemík

2. nejrozšířenější prvek na Zemi

Vojta Kubiš a Martin Šturc, 5A8

20.2.2011

Tento dokument pojednává o křemíku jako o prvku obecně (zabývá se jím z chemického hlediska,

zkoumá jeho vlastnosti), zkoumá jeho výskyt, historii, průmyslovou výrobu a zabývá se taktéž jeho

využitím

1

Obsah1:

1. Křemík – obecně (available in English too) 2. Výskyt v přírodě (+ křemík v potravinách) 3. Z historie 4. Průmyslová výroba 5. Využití

Obecně:

Křemík (Si) se nachází periodické soustavě prvků ve IV. A skupině, tvoří hranici mezi

kovy a nekovy. V krystalech má kovový lesk, jinak tvoří tmavohnědý prášek. Je málo

reaktivní, ale při zvýšené teplotě se jeho reaktivita prudce zvyšuje. Je docela tvrdý (struktura

blízká diamantu), ale velice křehký. Je odolný proti působení kyselin (s výjimkou kyseliny

fluorovodíkové – HF – a dusičné – HNO3), ale velmi snadno se rozpouští v zásaditých

roztocích. Je druhým nejrozšířenějším prvkem (hned po kyslíku) na Zemi. Vyskytuje se pouze

ve sloučeninách, nejvíce ve formě nejrozšířenějšího nerostu – křemene 2– oxidu křemičitého,

SiO2. Nachází se ve všech rostlinách a může být složkou i některých živočichů. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek, ale i jako základní surovina pro výrobu

skla a významná součást keramických a stavebních materiálů.

Summary:

Silicon (Si) is located in the periodic system of elements in the IV. A group, make up

the border between metals and non-metals. In crystals it has got metallic lustre, otherwise

make up dark-brown powder. It is low reactive, but when the temperature is increased, its

reactivity rapidly increases. It's a quite hard, but very fragile. It is resistant to the action of

acids (except hydrofluoric acid – HF – and nitric acid – HNO3), but it dissolve very easy in

alkaline solution. It is the second most widely extended element (just after the oxygen) on the

Earth. It is found only in compounds, most notably in the form of most spread mineral – silica

– silicon dioxide, SiO2. It is located in all plants and it can be a component of even some of

the animals. It is used as the base material for the manufacture of semiconductor components,

but also as a basic raw material for the glass industry and a significant part of ceramic and

building materials.

Chemická značka Si (Silicium)

Atomové číslo 14

Relativní atomová hmotnost 28,086

Elektronová konfigurace [Ne] 3s2 3p

2

Skupenství pevné

Teplota tání 1414 - 1420 °C (různé zdroje)

Teplota varu 2900 - 3300 °C (různé zdroje)

Hustota 2 330 kg∙m-3

Tvrdost 6,5

1 Oba zpracovatelé pracovali společně a navzájem si doplňovali a upravovali získané informace

2 Za zmínku stojí, že křemen je také sloučeninou dvou nejrozšířenějších prvků na Zemi

2

Křemík v přírodě a v potravinách: Křemík používají mikroskopičtí živočichové pro stavbu své schránky (např. rozsivka).

Křemík je nezbytný pro správné fungování buněk a tkání a syntézu vitamínu B1 v lidském

organismu. Kontroluje přenos nervových impulsů. Přispívá k posilnění kostí. Je též nezbytný pro růst

vlasů, nehtů a zubů. Chrání kůži před ochabováním a rozjasňuje oči. Proto je nazýván minerálem

krásy. Křemík je též užitečný při hojení slizničních a kožních onemocnění a při tuberkulóze.

Nalezneme jej v ovoci, zelenině, rybách, medu a obilovinách.

Z historie: Křemík poprvé identifikoval roku 1787 Antoine Lavoisier jakožto složku pazourku a

jiných křemíkatých hornin.

Sloučeniny křemíku doprovázely člověka od počátků jeho existence. Z křemene

zhotovoval nářadí, zbraně, některé odrůdy ho mohly i zdobit. Díky opracování kamenů člověk

zdokonaloval své ruce ke všem novým úkonům a tak vyvíjel i svůj živočišný druh. Sklo, tuto

veledůležitou a přitom samozřejmou látku obsahující křemík, zřejmě objevili Féničané –

pozorováním přírody při mořeplavbách.

Výroba křemíku:

Redukcí čistého oxidu křemičitého v obloukové elektrické peci na grafitové elektrodě:

SiO2 + C → Si + CO2 Ten se pak ještě složitým procesy čistí, aby se dal využít jako polovodičová součástka.

Využití křemíku:

Křemík se používá na výrobu skla (sklářský písek), dále se používá jako silikon

(těsnění, oleje …). Jeho elektrických vlastností se využívá v elektronice. Využívá se

monokrystalů křemíku – krystalů s dokonale pravidelnou strukturou. Samotný křemík je

využit např. v termistorech nebo fotorezistorech (obr. 1). Většinou se ovšem používá tzv.

dopovaný křemík (přidávají se do něj další prvky a tak se mění jeho vlastnosti např. vodivost).

Dopovaný křemík se podle vodivosti dělí na dva druhy (obr. 2 a 3) – polovodiče s vodivostí P

(kladný) a polovodiče s vodivostí N (záporný). Složením těchto dvou polovodičů vznikne PN

přechod, který lze zapojit dvěma způsoby do elektrického obvodu. Při jedné polaritě

přechodem proud prochází, při druhé neprochází (obr. 4). Pouze jeden přechod využívá

polovodičová dioda, která tímto způsobem usměrňuje elektrický proud (obr. 5). Další

součástkou, která využívá pouze jeden přechod je LED dioda (obr. 6) – speciální typ diody,

který nemá přechod zakrytý v neprůhledném pouzdru a jejíž přechod při průchodu proudu

vyzařuje elektromagnetické vlnění a to i ve viditelném spektru. „Opakem“ diody je fotodioda

(obr. 7) – její odkrytý přechod při osvícení mění světelnou energii na elektrickou. Velké

množství takovýchto diod je zapojeno ve fotovoltaickém článku (obr. 8). Ty se sériově a

paralelně spojí a vytvoří tak fotovoltaický panel (obr. 9) schopný vyrábět větší elektrický

proud. Více přechodů využívá tranzistor (obr. 10), který spíná elektrický obvod. Tranzistorů

existuje mnoho druhů, základní jsou unipolární (MOSFET) a bipolární (NPN a PNP). Další

z velkého množství polovodičových součástek je tyristor (obr. 11) – výkonný spínač

elektrického proudu. Neméně důležité jsou polovodičové paměti (obr. 12) – soustavy

speciálních tranzistorů řízených polem. Polovodičových součástek je podstatně více a není

možné je všechny uvést. Jedním z nejdůležitějších použití polovodičových součástek jsou

integrované obvody – velká množství součástek (samostatné obvody) v jednom pouzdru.

Dříve se vyráběly vrstvové, dnes se vyrábí již vyleptáním do tenkého plátku monokrystalu

křemíku. Nazývají se čipy. Univerzálními čipy jsou procesory (obr. 13), které pracují podle

určitých instrukcí – programů. V procesorech a zvláště pak těch výkonných jsou i miliardy

tranzistorů zapojených na onom tenkém plátku monokrystalu (například jako na obr. 14).

3

Křemík se v přírodě vyskytuje v několika formách (liší podle toho, jaké obsahují příměsi):

jaspis = může být zbarven různě, ale nejznámější je s červeným zbarvením

křišťál = téměř čistý křemen, výskytem jeden z nejrozšířenějších minerálů, se už od nepaměti těšil široké oblibě. Ve starém Řecku se věřilo, že jde o zkamenělý led svatých vod, který ani v nejsilnějším žáru neroztaje.

ametyst = fialové zbarvení, jedna z nejkrásnějších odrůd, jež byla známa už ve starověku

citrín = žlutá odrůda v přírodě se vyskytující vzácně, uměle se získává pálením ametystu

růženín = růžový nerost

4

obr. 1a obr. 1b

krystalická mřížka křemíku: a – za normálních podmínek; b – při zahřátí nebo osvícení

obr. 2 obr. 3

polovodič typu P – děrová vodivost polovodič typu N – elektronová vodivost

dopování více-mocnou příměsí (donor) dopování méně-mocnou příměsí (akceptor)

obr. 4 – PN přechod

5

obr. 4a obr. 4b

PN přechod: a – v závěrném směru; b – v propustném směru

obr. 5 – dioda

schematická značka diody dioda

diodové můstky (10A/250V; 1,5A/380V; 1A/250V SMD)

dioda jako jednocestný usměrňovač

čtyři diody jako dvoucestný usměrňovač – graetz

katoda anoda

6

obr. 6 – LED dioda (svítivá dioda)

schematická značka LED diody LED diody

obr. 7 – fotodioda

schematická značka fotodiody fotodioda

obr. 8 – fotovoltaický článek obr. 9 – fotovoltaický panel

obr. 10a – tranzistor MOSFET (unipolární)

P – kanál N – kanál

schematické značky tranzistorů MOSFET tranzistory MOSFET (N – kanál)

katoda anoda

7

schéma funkce a řízení tranzistoru MOSFET

S – zdrojová elektroda; D – sběrná elektroda; G – řídicí elektroda

obr. 10b – tranzistor NPN (bipolární) obr. 10c – tranzistor PNP (bipolární)

schematická značka tranzistoru NPN schematická značka tranzistoru PNP

b – báze (řídicí elektroda); c – kolektor; e – emitor

c

b

e

c

b

e

8

obr. 11 – tyristor

schematická značka tyristoru tyristor

obr. 12 – polovodičová paměť

struktura paměti paměťové čipy

obr. 13 – čipy

obr. 14 – počítačové procesory (Intel Xeon X5650)

9

10

Použité zdroje:

Foto minerálů a tranzistorů: Martin Šturc

Karger, Ivo – Pečová, Danuše – Peč, Pavel. Chemie I. Ilustroval Jindřich Kania, Jana

Kudličková. 1. vyd. Olomouc: Prodos, 1999. 94s. ISBN 80-7230-027-X.

Škoda, Jiří – Doulík, Pavel. Chemie 8, učebnice pro základní školy a víceletá

gymnázia. Ilustroval Stanislav Kahouda, Bohdan Štěrba. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2006.

138 s. ISBN 80-7238-442-2.

Rauner Karel a kol. Fyzika 9, učebnice pro základní školy a víceletá gymnázia.

Ilustroval Tomáš Javorský, Bohdan Štěrba. 1. vyd. Plzeň: Fraus, 2007. 138s. ISBN

978-80-7238-617-8.

Mikulčák Jiří a kol. Matematické, fyzikální a chemické TABULKY & VZORCE pro

střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2010. 282 s. ISBN 978-80-7196-264-9.

Mikulčák, Jiří a kol. Matematické, fyzikální a chemické tabulky pro střední školy. 4.

vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1987. 356 s.

Křemík [online]. [cit. 2011-02-20]. .

GM Electronic [online]. [foto 2011-03-18].

Wikipedia – solární článek [online]. [foto 2011-03-18].

James Gorbold. Bit-tech – AMD Opteron 6174 vs Intel Xeon X5650 Review [online].

31.3.2010, [foto 2011-02-20].

Křemík – minerál krásy [online]. 2006, [cit. 2011-02-20].

http://rccv.vsb.cz/Island/docs/Kremik.pdfhttp://www.gme.cz/http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Solar_cell.pnghttp://www.bit-tech.net/hardware/cpus/2010/03/31/amd-opteron-6174-vs-intel-xeon-x5650-review/1http://www.bit-tech.net/hardware/cpus/2010/03/31/amd-opteron-6174-vs-intel-xeon-x5650-review/1http://vitaminy.doktorka.cz/kremik-mineral-krasy/