Kremík

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 (angl. silicon) 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 26 – 28 % 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:
za vzniku kremíka o čistote 97 – 99 %. 
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.

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.

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.

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.

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.