-
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/