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
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 Atomové číslo Relativní atomová hmotnost Elektronová konfigurace Skupenství Teplota tání Teplota varu Hustota Tvrdost
1 2
Si (Silicium) 14 28,086 [Ne] 3s2 3p2 pevné 1414 - 1420 °C (různé zdroje) 2900 - 3300 °C (různé zdroje) 2 330 kg∙m-3 6,5
Oba zpracovatelé pracovali společně a navzájem si doplňovali a upravovali získané informace Za zmínku stojí, že křemen je také sloučeninou dvou nejrozšířenějších prvků na Zemi
1
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).
2
Křemík se v přírodě vyskytuje v několika formách (liší podle toho, jaké obsahují příměsi):
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.
citrín = žlutá odrůda v přírodě se vyskytující vzácně, uměle se získává pálením ametystu
růženín = růžový nerost
ametyst = fialové zbarvení, jedna z nejkrásnějších odrůd, jež byla známa už ve starověku
jaspis = může být zbarven různě, ale nejznámější je s červeným zbarvením
3
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 dopování více-mocnou příměsí (donor)
polovodič typu N – elektronová vodivost dopování méně-mocnou příměsí (akceptor)
obr. 4 – PN přechod
4
obr. 4a
obr. 4b
PN přechod: a – v závěrném směru; b – v propustném směru obr. 5 – dioda anoda
katoda
schematická značka diody dioda diodové můstky (10A/250V; 1,5A/380V; 1A/250V SMD)
dioda jako jednocestný usměrňovač
čtyři diody jako dvoucestný usměrňovač – graetz
5
obr. 6 – LED dioda (svítivá dioda)
anoda
katoda
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)
6
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)
c
c
b
b
e
e
schematická značka tranzistoru NPN schematická značka tranzistoru PNP b – báze (řídicí elektroda); c – kolektor; e – emitor
7
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)
8
9
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].
10
