Kremík

Kremík (lat. "silicium" zo slov "silex" alebo "silicis", synonymá pre kremeň) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Si a protónové číslo 14. Je to pomerne tvrdý polokov s vysokou afinitou ku kyslíku. Elementárny kremík je na vzduchu neobmedzene stály, v prírode sa s ním však stretávame prakticky iba vo forme zlúčenín v ktorých sa vyskytuje iba s mocnosťou SiIV, s výnimkou obmedzených nálezov mikrokryštálov čistého kremíka prevažne v sopečných oblastiach (typová lokalita Nuevo Potosí na Kube).
Je odolný voči väčšine minerálnych anorganických kyselín (s výnimkou zmesi kyseliny fluorovodíkovej HF a kyseliny dusičnej HNO3), veľmi ľahko sa však rozpúšťa v alkalických roztokoch za vzniku kremičitanového aniónu [SiO3]2−.
História.
Kremík (po lat. "silex", "silicis") prvýkrát identifikoval Antoine Lavoisier v roku 1787, a neskôr ho Humphry Davy (1800) omylom považoval za zlúčeninu. V roku 1811 Gay Lussac a Thénard pravdepodobne pripravili amorfný a nečistý kremík redukciou fluoridu kremičitého draslíkom. V roku 1824 Berzelius pripravil amorfný kremík pomocou približne rovnakej metódy ako Lussac. Berzelius tiež kremík vyčistil opakovaným premývaním. 
Pretože kremík () je dôležitý prvok pre polovodiče a elektronické zariadenia, je región v Kalifornii, kde sú sústredené spoločnosti zaoberajúce sa vývojom takýchto zariadení, Silicon Valley ("Kremíkové údolie"), pomenovaný podľa tohto prvku.
Výskyt v prírode.
V prírode sa stretávame iba so zlúčeninami kremíka. Kremík je po kyslíku druhým najviac zastúpeným prvkom v zemskej kôre. Podľa posledných dostupných údajov tvorí kremík 2628 % zemskej kôry. V morskej vode je jeho koncentrácia pomerne nízka, iba 3 mg Si/l, vo vesmíre pripadá na jeden atóm kremíka približne 30 000 atómov vodíka.
Kremík je podstatnou zložkou veľkej väčšiny hornín tvoriacich zemskú kôru – príkladom môžu byť pieskovce, íly, žuly. Významné zastúpenie v horninách majú hlinitokremičitany, z nich uvedieme živce: ortoklas (KAlSi3O8) a plagioklas ((Na, Ca)Al1-2Si2-3O8).
Mineralogicky je bezpochyby najvýznamnejším zástupcom kremeň (lat. "lapis cremans"), chemicky oxid kremičitý SiO2. Minerály s týmto zložením sa farebne líšia podľa prítomnosti malého množstva cudzích prvkov, ktoré spôsobujú charakteristické sfarbenie kryštalického oxidu kremičitého. Takmer čistý oxid kremičitý je označovaný ako krištáľ, do fialova je sfarbený ametyst, žltý je citrín, ružový ruženín, hnedý záhneda a napr. jaspis, sa vyskytuje v niekoľkých farebných odtieňoch.
Zvláštny prípad minerálu na báze oxidu kremičitého je amorfná forma tejto zlúčeniny – opál. Tento módny polodrahokam sa vyskytuje v niekoľkých farebných odtieňoch. V súčasnosti sa najväčšie množstvo opálov doluje v Austrálii a strednej Amerike vrátane Mexika. Na Slovensku sú známe opálové bane v blízkosti Prešova (Červenica).
Biologicky patrí kremík medzi biogénne prvky, aj keď jeho obsah v tkanivách živých organizmov nie je veľmi vysoký. Uvádza sa, že v tele dospelého človeka sa nachádza približne 1 g kremíka, a to predovšetkým v kostiach, chrupavkách a zubnej sklovine, je nevyhnutný pre ich zdravý rast a vývoj. Kremík hrá kľúčovú úlohu pri tvorbe kolagénu, podieľa sa na elastickosti všetkých tkanív. Zvýšený obsah kremíka v rastlinných bunkách môžeme nájsť napr. v prasličkách alebo páliacich chĺpkoch žihľavy.
Kremík je mimoriadne dôležitý ako stavebný kameň jednobunkových rias rozsievok. Hlavným stavebným materiálom frustuly "(bunkovej steny rozsievky)" je vodnatý polymér oxidu kremičitého, príbuzný opálu. Rozsievky sú jedinou skupinou organizmov, ktorých rozvoj je úplne závislý od prítomnosti rozpustných foriem oxidu kremičitého v prostredí. Po vyčerpaní zdrojov kremíka sa zastaví replikácia DNA. Rozsievky sú významný primárny zdroj biomasy, ich biomasa tvorí až 25 % z celkového množstva biomasy vyprodukovanej rastlinami.
Výroba a využitie.
Výroba kremíka v priemyselnom meradle je založená na redukcii taveniny vysoko čistého oxidu kremičitého v oblúkovej elektrickej peci. Na uhlíkovej elektróde pritom dochádza k reakcii:
formula_1
za vzniku kremíka o čistote 9799 %. 
Pre potreby elektronického priemyslu je táto čistota absolútne nedostačujúca. Výroba elektronických súčiastok vyžaduje kremík s čistotou minimálne 99,9999 %, pretože aj nepatrné množstvo prímesí výrazne ovplyvňuje kvalitu vyrobených tranzistorov a ďalších elektronických súčiastok. 
Výroba vysoko čistého kremíka.
Jeden z najstarších spôsobov prípravy vysoko čistého kremíka je zonálne tavenie. Čistený materiál sa najskôr upraví do tvaru dlhej tenkej tyče. Tá sa potom v špeciálnej piecke postupne pretavuje tak, aby sa tavená zóna posúvala od jedného konca k druhému. Pritom sa nečistoty prítomné v materiáli sústreďujú v roztavenej zóne a postupne sa dostávajú ku koncu tyče, ktorý sa nakoniec odreže (časť nečistôt sa naopak koncentruje v tuhnúcej tavenine a na konci viacerých cyklov sa nachádza na druhom konci tyče; kvôli ekonomike sa však tento druh nečistôt obvykle odstraňuje už pri príprave suroviny chemicky). Niekoľkonásobným opakovaním tohto postupu vznikne veľmi čistý materiál.
V súčasnosti sa na prípravu extrémne čistého kremíka používajú chemické metódy. V tzv. Siemensovom postupe je z kremíka najskôr pripravená nejaká plynná zlúčenina, zvyčajne trichlorsilan HSiCl3 alebo chlorid kremičitý SiCl4. Tieto zlúčeniny sa potom preženú cez vrstvu vysoko čistého kremíka s teplotou viac ako 1 100 °C. Pritom dochádza k ich rozkladu a vzniknutý vysoko čistý kremík sa ukladá v kryštalickej podobe na pôvodnú kremíkovú podložku. Reakciu trichlorsilanu opisuje rovnica:
formula_2
Uvedeným postupom vzniká tzv. polykryštalický kremík, ktorý zvyčajne obsahuje nečistoty v pomere 1 : 1 000 000 a úplne vyhovuje požiadavkám pre výrobu elektronických polovodičových súčiastok.
Určitý čas bol alternatívou k Siemensovej metóde DuPontov postup, ktorý vychádzal z chloridu kremičitého a jeho rozkladu pri teplote 950 °C na vysoko čistom zinku podľa rovnice:
formula_3
Technické problémy s prchavosťou vznikajúceho chloridu zinočnatého, ktorý následne znečisťoval vyrobený čistý kremík, viedli nakoniec k tomu, že bol tento proces prakticky zavrhnutý.
Ďalším krokom spracovania extrémne čistého kremíka je príprava monokryštálu riadenou kryštalizáciou z taveniny, nazývaná Czochralského proces. Pri tomto postupe je do kremíkovej taveniny vložený zárodočný kryštál vysoko čistého kremíka. Tento kryštál sa pritom otáča a vyťahuje podľa vopred presne definovaného programu; teplota taveniny je tiež veľmi pozorne sledovaná a riadená. Celý proces sa uskutočňuje v nádobách z veľmi čistého kremeňa v inertnej atmosfére argónu. Na zárodočnom kryštáli sa potom vylučujú ďalšie vrstvy mimoriadne čistého kremíka, takže výsledný produkt môže mať až v priemere a dĺžku do . 
V niektorých prípadoch je potrebné predísť možnej kontaminácii kremíka materiálom kelímka, ktorý obsahuje taveninu. Pre prípravu monokryštálu je preto používaná aj metóda "letmej zóny", podobná zonálnemu taveniu, pričom ingot je umiestnený zvisle a pomerne tenká roztavená zóna nie je v styku so žiadnym kelímkom ani podložkou a roztavený kremík je udržiavaný v ingote len povrchovým napätím.
Vyrobený monokryštál kremíka vo forme valcového ingotu sa po vychladnutí a určení presnej kryštalografickej orientácie (označenej zbrúsením niektorej strany/strán ingotu) reže na tenké pláty (wafery), leští a použije sa ako surovina na výrobu polovodičových súčiastok.
Zliatiny.
Metalurgický význam kremíka je iba vo výrobe niektorých špeciálnych zliatin, v ktorých sa ho aj tak vyskytuje iba niekoľko percent. Najznámejšia je ferosilícium, zliatina kremíka so železom, ktorá sa vyznačuje vysokou tvrdosťou a chemickou odolnosťou. Na zvýšenie tvrdosti sa kremík v malom množstve pridáva aj do špeciálnych ocelí a hliníkových zliatin.
Zlúčeniny kremíka a ich význam.
Oxid kremičitý.
Asi najvýznamnejšia anorganická zlúčenina kremíka je oxid kremičitý, SiO2. Táto látka sa vyskytuje v mnohých modifikáciách s celkom odlišnými fyzikálno-chemickými vlastnosťami.
Výroba skla.
V súčasnosti sa vyrábajú stovky druhov skla pre najrôznejšie praktické aplikácie, ktoré sa líšia fyzikálnymi vlastnosťami aj vzhľadom. Základnou surovinou pre výrobu skloviny je zmes, nazývaná sklársky kmeň s približným zložením: 50 % piesok (kremeň alebo oxid kremičitý), 16 % sóda (uhličitan sodný), 12 % vápenec (uhličitan vápenatý), 18 % recyklované sklo (rozdrvené črepy). Táto zmes sa taví pri teplote okolo 1 500 °C a ďalej sa spracováva predovšetkým na výrobu fliaš liatím alebo fúkaním.
Druhy skla:
Kremičitany.
Kremík vytvára celý rad kyslíkatých kyselín, z ktorých najjednoduchšia je kyselina tetrahydrogénkremičitá H4SiO4. Ďalšie kyseliny obsahujú viacero zreťazených skupín [SiO3]. Všetky sú pomerne slabé a nestále. Naopak, ich soli kremičitany, sú veľmi stabilné. 
Kremičitany alkalických kovov a kovov alkalických zemín sú podstatnou súčasťou vyvretých hornín, ílov, tehlárskej hliny a ďalších. 
Veľmi bežné sú horniny na báze hlinitokremičitanov (aluminosilikátov). Aluminosilikátové minerály sú napr. živce ortoklas KAlSi3O8 a plagioklas NaAlSi3O8. 
Veľmi cenné sú aluminosilikáty nazývané zeolity, ktoré vytvárajú komplikované priestorové siete, zložené z tetraédrov SiO4 a AlO4, navzájom zviazaných zdieľanými vrcholovými atómami kyslíka. Tvoria vzájomne prepojené kanály a dutiny, ktoré obsahujú slabo viazané, teda v podstate pohyblivé, molekuly vody a katióny alkalických kovov (Na, K, Li, Cs) a kovov alkalických zemín (Ca, Mg, Ba, Sr), ktoré vyrovnávajú nenasýtenú negatívnu valenciu AlO4. Zeolity sa správajú ako prírodné ionexy alebo molekulové sitá. 
Keramika a stavebné materiály.
Keramika je všeobecný názov pre výrobky zhotovené vypaľovaním keramických zmesí, ktorých hlavnými zložkami sú kaolíny, íly a hliny. Keramické zmesi získajú po premiešaní s vodou plastické vlastnosti, v tom stave ich možno tvarovať a naopak po vypálení pri teplote 800 až 1 500 °C plastické vlastnosti strácajú a menia sa v trvalo tvrdú látku nazývanú črep.
Najhodnotnejšou keramickou hmotou je porcelán, ktorého vstupné suroviny tvoria zmes, ktorá obsahuje priemerne 50 % najčistejšieho kaolínu, 25 % kremenného piesku a 25 % živcov. Veľmi známy a hodnotný je napríklad meissenský a karlovarský porcelán.
Tehlárske hliny ako menej hodnotné keramické suroviny slúžia na výrobu tehál, strešných škridiel a iných stavebných materiálov. Z ílov alebo menej hodnotného kaolínu, živca a kremeňa sa vypaľovaním pri teplote okolo 1 300 °C vyrába buď obyčajná kamenina (potrubie, dlaždice) alebo jemná biela kamenina (taniere, umývadlá, kachličky, sošky).
Ďalšie uplatnenie v stavebníctve nachádza kremenný piesok ako zložka malty a spájacích materiálov a predovšetkým pri výrobe betónu.
Aerogél.
"Zamrznutý dym" – tak pomenovali vedci špeciálny materiál, ktorý svojím výzorom skutočne pripomína dym, no svojimi vlastnosťami drží 15 svetových fyzikálnych rekordov. Je to jeden z najlepších tepelných izolantov a taktiež je aj veľmi pevná látka s najmenšou známou hustotou. Blok aerogélu o veľkosti dospelého človeka váži necelý pol kilogram a unesie váhu malého osobného auta. Pritom 99,8 % objemu tvorí obyčajný vzduch, zvyšok, čiže 0,2 %, je kremík.
Aerogél sa vyrába zo zmesi oxidu kremičitého (SiO2) a kvapalného oxidu uhličitého (CO2). Potom sa za obrovského tlaku z tohto "gélu" odstráni všetka kvapalná zložka (superkritické vysušenie). Jedine tak nedôjde k zrúteniu kremíkových buniek a následnej deformácii gélu. Vznikne tak teleso s niekoľkými miliardami buniek z kremíka, ktoré držia pokope silné molekulové väzby O-Si. Zatiaľ čo svetlo so svojou krátkou vlnovou dĺžkou prejde cez aerogél takmer bez zmeny, teplo a zvuk sa cez blok aerogélu takmer nedostane. V súčasnosti je jeho výroba veľmi nákladná a využíva sa najmä v kozmickom výskume. Je to však materiál s obrovským potenciálom využitia v budúcnosti.
Halogenidy kremíka.
Kremík vytvára zlúčeniny s fluórom SiF4, chlórom SiCl4 a brómom SiBr4, ktoré sa môžu ďalej zreťaziť za vzniku vyšších halogenidov. Všetky uvedené zlúčeniny sú veľmi nestále a pri styku s vodou okamžite hydrolyzujú za vzniku gelovitej kyseliny kremičitej.
Chlorid kremičitý je veľmi dôležitou zlúčeninou pri príprave čistého kremíka pre polovodičové súčiastky ("pozri vyššie"). 
Prchavosť fluoridu kremičitého sa v analytickej chémii používa k odstráneniu fluóru z jeho stabilných fluoridov AlF3 a fluoridov lantanoidov. Vzorka sa pritom varí pri asi 150 °C v 50 % kyseline sírovej v sklenenej aparatúre a vzniknutý prchavý SiF4 je okamžite odvádzaný prúdom horúcej vodnej pary do roztoku alkalického hydoxidu, kde je potom možné ľahšie určiť jeho obsah. 
Karbid kremíka.
Karbid kremičitý SiC tvorí analogickú kryštalickú štruktúru ako diamant a patrí preto medzi jedny z najtvrdších známych látok. V Mohsovej stupnici tvrdosti dosahuje stupeň 9 až 10 a nachádza preto praktické uplatnenie ako brusivo pod názvom karborundum.
Kremíkaté analógy uhľovodíkov.
Pretože kremík a uhlík sa v periodickej tabuľke prvkov nachádzajú v jednej skupine pod sebou, dalo by sa usudzovať, že kremík bude rovnako ako uhlík vytvárať nesmierne pestrú škálu zlúčenín analogických organickým látkam. V staršej vedecko-fantastickej literatúre sme sa mohli pomerne často stretnúť so živými bytosťami, ktoré na rozdiel od nás majú telo zložené zo silikónových molekúl, kúpu sa v kvapalnom čpavku, dýchajú sírne výpary apod. Skutočnosť je však ďaleko prozaickejšia.
Napriek tomu, že kremík dokáže vytvárať celý rad analogických zlúčenín k uhľovodíkom, nemôže ich množstvo nikdy dosiahnuť pestrosť organickej chémie. Dôvodom je predovšetkým fakt, že atómy kremíka nie sú schopné vytvárať dvojitú väzbu Si=Si a pochopiteľné ani väzbu trojitú. Ďalší významný dôvod je sila väzby medzi dvoma atómami kremíka, ktorá je približne polovičná, ako pri väzbe C-C. V dôsledku toho sú molekuly s vysokým počtom väzieb Si-Si nestále a veľmi ľahko sa rozkladajú. Napriek tomu však existujú skupiny látok, ktoré sú analógy (?) medzi organickými zlúčeninami a podobnými zlúčeninami kremíka:
Silany.
Silany sú bezfarebné látky so zložením SinH2n+2. Prvé dva silany sú plynné, od trislanu Si3H8 kvapalné. Všetky sú mimoriadne reaktívne a na vzduchu samozápalné, reakciou s kyslíkom vzniká oxid kremičitý a voda. Vo vode tiež rýchlo hydrolyzujú, pričom sa uvoľňuje plynný vodík a vzniká gél kyseliny kremičitej.
Silany sú veľmi silné redukčné činidlá. S halogénmi reagujú explozívne, za istých podmienok (prítomnosť AlCl3 a vhodná teplota) je možné pripraviť molekuly s jedným atómom halogénu SiH3Cl až SiHCl3 a podobne.
Silany sa uplatňujú predovšetkým ako počiatočné zlúčeniny pre výrobu zložitejších kremíkatých látok, napr. pre výrobu čistého polovodičového kremíka.
Siloxány (silikóny).
Siloxány sú zlúčeniny, ktoré obsahujú v molekule väzbu Si-O-Si. Táto chemická skupina je veľmi stabilná a môže byť preto pripravený prakticky nekonečný reťazec so zložením –(O-Si-O-Si-O)-, zostávajúce dve voľné väzby kremíkového atómu môžu byť obsadené napr. skupinami –HO alebo najčastejšie organickými ligandami ako -CH3a ďalšími. Najbežnejšie používané zlúčeniny tohto typu sú polydimetylsiloxány a majú vzorec: (CH3)3SiO[SiO(CH3)2]nSi(CH3)3.
Uvedené látky sú pritom za bežných podmienok úplne stabilné a nepodliehajú rozkladu ani v prítomnosti kyslíka alebo vody. Podľa počtu siloxanových skupín a ich ligandov môžu byť výslednými produktmi ako kvapalné, tak aj pevné látky. Ich ďalšími vlastnosťami sú hydrofóbia (odpudzujú vodu) a prakticky úplná neškodnosť pre živé organizmy. 
Praktické využitie siloxánov je veľmi široké:
Zdravotné riziká.
Kremík ani jeho bežné anorganické zlúčeniny nie sú toxické, sú natoľko inertné, že prejdú tráviacou sústavou úplne neporušené. Problémy nastávajú skôr pri dlhodobom vdychovaní mikroskopických čiastočiek, vznikajúcich pri brúsení za použitia silikátových materiálov alebo pri mechanickom opracovávaní silikátových výrobkov. Pľúcne ochorenie spôsobené dlhodobým ukladaním oxidu kremičitého do pľúc (zaprášenie pľúc) s následnou novotvorbou väziva (pneumokonióza), ktoré môže poškodiť funkciu pľúc sa nazýva silikóza. V ťažších formách sa prejavuje znížením pľúcnej kapacity, kašľom, infekciami, dušnosťou a srdečnými poruchami (lat. "cor pulmonale"). Postihuje najčastejšie baníkov, pracovníkov v kameňolomoch a tuneloch.
Pri priemyselnej výrobe a spracovaní silanov a ich chlórovaných derivátov samozrejme musia byť dodržané prísne bezpečnostné opatrenia. Ich reakcie s kyslíkom alebo vlhkosťou môžu spôsobiť výbuch a únik toxického a žieravého chlorovodíka a iných nebezpečných zlúčenín.
Keďže sa kremík podieľa sa na tvorbe kostí, zabezpečuje elasticitu ciev, zúčastňuje sa na príjme vápnika z potravy a na raste vlasov a nechtov, jeho nedostatok u človeka môže zapríčiniť abnormality kostí, celkovú retardáciu rastu, neplodnosť, nedostatočný vývoj a osteoporózu. Za normálnych okolností jeho dodávanie v podobe liekov nie je potrebné.