2.1. Wszechobecna krzemionka

Czy wiesz, że piasek na plaży, naszyjnik z ametystów, szklany wazonik czy światłowody mają ze sobą wiele wspólnego? Łączy je jeden z najpospolitszych związków chemicznych na Ziemi – tlenek krzemu(IV). Jaką drogę musi przebyć piasek, zanim przemieni się w wiele użytecznych przedmiotów?

Już wiesz: 

  • że tlenek krzemu(IV) ma wzór sumaryczny SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów;
  • wyróżnia się tlenki kwasowe, zasadowe i obojętne;
  • że położenie pierwiastka chemicznego w układzie okresowym zależy od budowy jego atomu;
  • że większość pierwiastków chemicznych występujących w przyrodzie to mieszaniny izotopów.

Nauczysz się: 

  • badać i opisywać właściwości fizyczne i chemiczne tlenku krzemu(IV);
  • wymieniać występujące w przyrodzie odmiany SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów i określać ich zastosowanie;
  • wyjaśniać, dlaczego szkła kwarcowego używa się do produkcji tygli laboratoryjnych i lamp stosowanych w medycynie do leczenia m.in. chorób skóry (głównie łuszczycy i trądziku);
  • uzasadniać sposób przechowywania kwasu fluorowodorowego.

1. Występowanie tlenku krzemu(IV) w przyrodzie

Najbardziej zewnętrzna i najlepiej poznana warstwa skalna Ziemi to skorupa ziemska. Tylko 11 pierwiastków występuje w niej w ilości większej niż 0,1%, co stanowi aż 99,895% masy tej części kuli ziemskiej.
Drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej jest krzem, a tlenek krzemu(IV), zwany zwyczajowo krzemionką, jest równie powszechny jak woda. Krzemionka to podstawowy składnik piasku, skał i gleb. W przyrodzie spotykamy ją zarówno w postaci krystalicznej, o uporządkowanej strukturze wewnętrznej (jako kwarc, trydymit i krystobalit), jak i w formie bezpostaciowej, czyli amorficznej (w przypadku np. agatów, opali, jaspisu, onyksu, ziemi okrzemkowej). Odmiany te charakteryzują się brakiem uporządkowanej struktury wewnętrznej.
Kryształy kwarcu niezależnie od postaci, w jakiej występują, zachwycają swoją barwą. Dlatego znajdują zastosowanie jako kamienie ozdobne i jubilerskie. Bezbarwna odmiana kwarcu zwana jest kryształem górskim (od greckiego krystallos – dawniej oznaczającego lód). Zabarwione odmiany krystaliczne to np.: przezroczysty ametyst (którego fioletową barwę wywołuje domieszka żelaza), ciemnobrunatny kwarc, tzw. dymny, żółty cytryn, kwarc różowy (który swoją barwę zawdzięcza domieszkom tytanu i manganu).
Agat jest wyjątkowo oryginalnym minerałem – nie ma na świecie dwóch identycznych okazów. To jeden z najładniejszych i najciekawszych kamieni. Główną jego ozdobą są przepiękne, naprzemianległe, różnobarwne warstewki. Opal to kamień, który przyciąga uwagę piękną grą barw. Nazwa onyks, z greckiego pazur, nawiązuje do twardości, wyglądu i ostrych krawędzi tego minerału. Jaspis dzięki związkom żelaza może być zabarwiony na kolor czerwony, brązowy, żółty lub zielony.

2. Właściwości fizyczne tlenku krzemu(IV)

Doświadczenie 2.1.1. Badanie właściwości fizycznych krzemionki

Problem badawczy:  
Jakie właściwości fizyczne wykazuje podstawowy składnik piasku?
Hipoteza: 
Tlenek krzemu(IV) to twarda, nierozpuszczalna w wodzie substancja stała, która nie przewodzi prądu elektrycznego.
Co będzie potrzebne: 
  • tlenek krzemu(IV) w postaci piasku kwarcowego,
  • woda,
  • zlewki,
  • bagietka,
  • kawałek szyby,
  • 2 elektrody grafitowe,
  • drucik,
  • bateria,
  • żarówka.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Niewielką ilość tlenku krzemu(IV) podziel na 3 porcje.
  2. 2.
    Pierwszą z nich umieść w zlewce, nalej wodę i zawartość zamieszaj bagietką.
  3. 3.
    Drugą część krzemionki wykorzystaj do sprawdzenia, czy substancja ta rysuje szkło. W tym celu przesuń piasek palcami po kawałku szyby.
  4. 4.
    Trzecią porcję wprowadź do zlewki, w której należy umieścić dwie elektrody, połączone drucikiem z żarówką i z baterią, zamykając obwód elektryczny.
Podsumowanie: 
Tlenek krzemu(IV) jest substancją stałą, krystaliczną, nie rozpuszcza się w wodzie. Ze względu na dużą trwałość wiązań między krzemem i tlenem kwarc jest minerałem twardym. W 10-stopniowej skali twardości Mohsa twardość szkła okiennego wynosi 5-6, a kwarcu – 7. Po zamknięciu obwodu, w którym umieszczono piasek, żarówka się nie zaświeciła, czyli tlenek krzemu(IV) nie przewodzi prądu elektrycznego.

3. Właściwości chemiczne tlenku krzemu(IV)

Doświadczenie 2.1.2.  [DO WYKONANIA POD NADZOREM OSOBY DOROSŁEJ]Badanie właściwości chemicznych krzemionki

Problem badawczy:  
Jakie właściwości chemiczne wykazuje podstawowy składnik piasku?
Hipoteza: 
Tlenek krzemu(IV) to substancja o małej aktywności chemicznej i charakterze kwasowym.
Co będzie potrzebne: 
  • tlenek krzemu(IV) w postaci piasku kwarcowego,
  • woda,
  • stężony roztwór wodorotlenku sodu,
  • stężony kwas solny,
  • probówki,
  • korki,
  • łapa do probówek,
  • palnik gazowy,
  • wkraplacze,
  • łyżka.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Zanim przystąpisz do wykonania tego doświadczenia, załóż okulary i rękawice ochronne.
  2. 2.
    Do trzech probówek wprowadź piasek kwarcowy.
  3. 3.
    Do pierwszej probówki dodaj wodę, do drugiej wprowadź stężony roztwór wodorotlenku sodu, a do trzeciej – stężony kwas solny.
  4. 4.
    Zatkaj probówki korkiem i zamieszaj ich zawartość.
  5. 5.
    Odkorkuj probówki i ogrzewaj je w płomieniu palnika.
Podsumowanie: 
Tlenek krzemu(IV) nie reaguje z wodą ani z kwasem solnym, nawet po ogrzaniu. Roztwarza się pod wpływem wodorotlenku sodu, co można opisać równaniem reakcji:
SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 2NaOH → Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O

Tlenek krzemu(IV) to tlenek kwasowy, o małej aktywności chemicznej. Ponadto (czego nie mieliśmy już okazji zaobserwować) analogiczne przemiany zachodzą podczas stapiania tlenku krzemu(IV) z wodorotlenkami, tlenkami zasadowymi i solami, np.:
SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów CO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów + CO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów

Nie reaguje z kwasami, za wyjątkiem kwasu fluorowodorowego:
SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 4HF → SiF IndeksDolny 4 KoniecIndeksów + 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O
Nie rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury, ale może wówczas reagować z nielicznymi pierwiastkami, np.:
  • węglem
SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 2C   strzałka-w-prawo IndeksNad temp.    KoniecIndeksów Si + 2CO
  • magnezem
SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + 2Mg strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów Si + 2MgO

Te reakcje chemiczne wykorzystuje się do otrzymywania krzemu.

Polecenie 2.1.1.

Które etapy obserwowanego doświadczenia stwarzają zagrożenie dla eksperymentatora? Dlaczego?

Wskazówka

Które substancje używane podczas doświadczenia mają właściwości żrące? Dlaczego należy zwracać uwagę na to, w którą stronę ma być skierowany wylot probówki?

4. Zastosowanie tlenku krzemu(IV)

Już od najdawniejszych czasów ludzie wykorzystywali niezwykłe właściwości krzemionki. Minerał zwany krzemieniem dzięki swojej twardości służył do krzesania ognia. Jest łupliwy, a jego odłamki mają ostre krawędzie, dlatego był wykorzystywany przez ludzi paleolitu jako surowiec do produkcji narzędzi kamiennych. Dziś krzemień jest surowcem wykorzystywanym w przemyśle ceramicznym i używanym do produkcji farb. Powłoki z farb krzemianowych są trwałe, odporne na wilgoć i mają dużą odporność mechaniczną. Są całkowicie niepalne i odporne na rozwój mikroorganizmów. Z krzemienia pasiastego ze względu na rzadkość jego występowania, walory estetyczne i odpowiednią twardość powstają oryginalna biżuteria oraz ozdoby.
Stopiony kwarc przy powolnym chłodzeniu tworzy tzw. szkło kwarcowe, z którego wytwarza się m.in. lampy w solariach, salach szpitalnych, światłowody, tygle laboratoryjne. Kryształy kwarcu mają właściwości piezoelektryczne. Gdy umieścimy je w zmiennym polu elektrycznym, wówczas kryształy te kurczą się i rozszerzają, emitując ultradźwięki. Ultradźwięki umożliwiają uzyskanie obrazów różnych obiektów, co wykorzystano w sonarach – do lokalizacji gór lodowych, ławic ryb, jak i w medycynie – do badania USG. Kryształy kwarcu służą też do produkcji niezwykle dokładnych zegarów oraz zapalniczek i zapalarek – ze względu na zjawisko piezoelektryczne, polegające na powstawaniu ładunków elektrycznych na powierzchni tego kryształu, w skutek naprężeń mechanicznych. Jako kamień ozdobny jest stosowany w jubilerstwie. W przemyśle optycznym używa się go do wyrobu soczewek i pryzmatów.
Piasek jest podstawowym składnikiem zaprawy murarskiej i cementu oraz surowcem do produkcji wyrobów ceramicznych, a także różnych rodzajów szkła, np.: okiennego, ozdobnego, wodnego. Ponadto z piasku otrzymuje się krzem i jego stopy, wytwarza karborund (SiC – twardy materiał szlifierski).

Ciekawostka

Sodowe szkło wodne zostało wynalezione przed około 6000 laty przez mieszkańców Teb – starożytnego miasta w górnym Egipcie. To stężony wodny roztwór krzemianu sodu z dodatkiem wodorotlenku sodu, który zapobiega hydrolizie. Do połowy XIX wieku nie znaleziono zastosowania dla tej substancji, więc popadła ona w zapomnienie. Dzisiaj szkło wodne pełni wiele funkcji, np.: służy do wyrobu klejów i kitów kwasoodpornych oraz ognioodpornych, wykorzystywanych w budownictwie. Produkuje się z niego żywice silikonowe, używa się go do produkcji proszków do prania, farb, a nawet jako dodatku do żywności. Jest skutecznym środkiem do impregnacji drewna i tkanin. Szkło wodne umożliwia tworzenie tzw. chemicznych ogrodów, w których chemiczne roślinki "wyrastają" w mgnieniu oka.

5. Krzem − pierwiastek życia i elektroniki

Właściwości fizyczne i chemiczne krzemu

Krzem to substancja stała o barwie ciemnoszarej i metalicznym połysku. Tworzy kryształy podobne do kryształów diamentu. Jest półprzewodnikiem. To pierwiastek twardy (6,5 w skali Mohsa) i kruchy. Ma wysoką temperaturę topnienia (1863 K), podczas którego zmniejsza swoją objętość, podobnie jak woda. Jest mało aktywny chemicznie. Nie reaguje z wodą ani z kwasami, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego. W temperaturze pokojowej krzem reaguje tylko z fluorem, tworząc czterofluorek krzemu – SiF IndeksDolny 4 KoniecIndeksów. Po ogrzaniu wchodzi w reakcje z innymi fluorowcami, z tlenem i azotem, dzięki czemu w temperaturach ok. 1000 K powstają tlenek SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów i azotek Si IndeksDolny 3 KoniecIndeksów N IndeksDolny 4 KoniecIndeksów, a w temperaturach powyżej 2300 K reaguje m.in. z węglem, tworząc węglik. W wysokich temperaturach reaguje także z metalami, tworząc krzemki np. Mg IndeksDolny 2 KoniecIndeksów Si. W roztworach zasad krzem roztwarza się z wydzieleniem wodoru.

Otrzymywanie krzemu

W warunkach laboratoryjnych można otrzymać krzem z krzemionki, redukując ją magnezem. Na skalę przemysłową krzem jest produkowany przez prażenie krzemionki, węgla i żelaza w piecu elektrycznym. Do zapoczątkowania tych procesów potrzebna jest wysoka temperatura ponad 2273 K. Wydzielony krzem uwalnia się od domieszek tlenku magnezu oraz resztek substratów przez kolejne traktowanie spieku kwasem solnym, a następnie fluorowodorem. W przemyśle elektronicznym potrzebny jest bowiem krzem o wysokiej czystości.

Zastosowanie krzemu

Krzem wkroczył na arenę elektroniki na początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku. Kiedy w 1947 r. został skonstruowany germanowy tranzystor ostrzowy, uznano go za jedno z największych osiągnięć XX wieku. Dziś tranzystory są coraz mniejsze, szybsze i mniej energochłonne. Obecnie krzem służy do produkcji półprzewodnikowych układów scalonych, wafli do wytwarzania chipów krzemowych, kolektorów słonecznych, żaroodpornych płytek, którymi pokrywa się powierzchnie statków. Ponadto krzem stosuje się jako dodatek stopowy, gdyż poprawia właściwości kwasoodporne stali. Stopy krzemu z glinem są używane do odlewów. Z kolei dietetycy nazywają go pierwiastkiem zdrowia i długowieczności.

Ciekawostka

Kilogram to jedyna jednostka SI, dla której podstawą definicji jest określony przedmiot, a nie odwołanie się do stałych fizycznych. Nowy wzorcowy kilogram ma być doskonalszy od obecnie uznawanego, wykonanego w kształcie walca ze stopu platyny z irydem. Ma to zagwarantować jego powiązanie ze stałą Avogadra. Do jego wykonania wybrano krzem. Regularny układ atomów w takim krysztale pozwolił naukowcom z góry ustalić, że krzemowa kula o masie 1 kilograma będzie miała średnicę 93,75 mm. Dwa takie wzorce – w  tzw. projekcie Avogadro – wykonano w Australii.

Podsumowanie

  • Tlenek krzemu(IV) występuje w przyrodzie w postaci krystalicznej, głównie jako kwarc, oraz bezpostaciowej jako opal i ziemia okrzemkowa.
  • Tlenek krzemu(IV) to ciało stałe, krystaliczne, bezbarwne, nierozpuszczalne w wodzie ani w innych popularnych rozpuszczalnikach. To substancja o wysokiej temperaturze topnienia i dużej twardości.
  • Tlenek krzemu(IV) wykazuje małą aktywność chemiczną; nie rozkłada się pod wpływem wysokiej temperatury, nie reaguje z wodą, kwasami (wyjątkiem jest kwas fluorowodorowy), po ogrzaniu reaguje z tlenkami i wodorotlenkami metali oraz z nielicznymi pierwiastkami, np. z węglem, magnezem. Zalicza się go do tlenków o charakterze kwasowym.

Praca domowa

Polecenie 2.1.2.

Problem 1.
Uzupełnij puste miejsca w równaniach reakcji chemicznych. Pamiętaj o współczynnikach stechiometrycznych.
  1. a.
    SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + …   strzałka-w-prawo IndeksNad temp.    KoniecIndeksów K IndeksDolny 4 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów + 2H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O 
  2. b.
    … + …NaOH strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów Na IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów + H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O 
  3. c.
    … + …C strzałka-w-prawo IndeksNad temp. KoniecIndeksów Si + 2CO 
  4. d.
    SiO IndeksDolny 2 KoniecIndeksów + …HF → … + … 
  5. e.
    Si + …KOH +   H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O →   K IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SiO IndeksDolny 3 KoniecIndeksów + … 
Problem 2.
Na plażę często zabieramy aparat fotograficzny. Dlaczego powinniśmy zakładać osłonę na obiektyw?
Problem 3.
W życiu codziennym spotykamy się często z różnorodnym zastosowaniem związków krzemu. O wielu z tych zastosowań była już mowa, ale temat nie został jeszcze wyczerpany. Chcąc uzupełnić to zagadnienie, odpowiedz na pytanie: jakie związki krzemu można wykorzystać:
  1. a.
    do produkcji soczewek kontaktowych i szamponów?
    Wskazówka: Materiał ten łatwo się odkształca, umożliwia swobodne oddychanie oczu i włosów, soczewki z niego wykonane nie wysychają, a włosy mają ładny połysk;
  2. b.
    jako osłony termiczne w pojazdach kosmicznych?
    Wskazówka: Oprócz dużej twardości tego związku (9,5 w skali Mohsa) jego dodatkową zaletą jest wysoka odporność termiczna;
  3. c.
    do otrzymywania środka suszącego, który umieszcza się np. w kartoniku z butami?
    Wskazówka: Jego porowata struktura tworzy olbrzymią powierzchnię, dzięki czemu ma on doskonałe właściwości osuszające;
  4. d.
    do tworzenia m.in. warstwy izolacyjnej w skafandrach kosmonautów czy też jako wypełnienie termoregulacyjne w samolotach?
    Wskazówka: Substancje o najmniejszym dla ciał stałych współczynniku przewodnictwa ciepła, a także o najmniejszej dla ciał stałych gęstości.

Słowniczek

Biogram 

Amedeo Avogadro (znany też jako Amadeo Avogadro)
Data urodzenia 
9.08.1776
Miejsce urodzenia 
Turyn (Włochy)
Data śmierci 
9.07.1856
Miejsce śmierci 
Turyn (Włochy)
Karierę zawodową rozpoczął jako prawnik. Następnie został profesorem fizyki matematycznej. Avogadro stwierdził, że równe objętości wszystkich gazów, w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia, zawierają jednakowe liczby cząsteczek (prawo Avogadra). Jego hipoteza była kluczem do rozwiązania wielu problemów, przed którymi stanęły nauki chemiczne XIX wieku. Liczba NA = 6,02 · 1023, związaną z definicją mola, jednej z podstawowych jednostek układu SI, nazwano od nazwiska uczonego liczbą Avogadra.

Definicja

krzemionka –
tlenek krzemu(IV)

Definicja

minerały –
naturalne, jednorodne składniki skorupy ziemskiej o charakterystycznym składzie i specyficznych właściwościach fizycznych; większość z nich jest częścią ciał krystalicznych o uporządkowanej budowie wewnętrznej, w której atomy i jony zajmują ściśle określone miejsce, tworząc sieć przestrzenną; minerały łączą się ze sobą w formy zwane skałami

Biogram 

Carl Friedrich Christian Mohs
Data urodzenia 
29.01.1773
Miejsce urodzenia 
Gernrode (Niemcy)
Data śmierci 
29.09.1839
Miejsce śmierci 
podczas podróży do Agordo (Włochy)
Studiował chemię, matematykę i fizykę na Uniwersytecie w Halle, a także mineralogię na Akademii Górniczej we Freibergu. W 1802 roku przeniósł się do Austrii, gdzie zajmował się badaniem i klasyfikacją minerałów. Największym, najbardziej znanym i powszechnie wykorzystywanym do dziś osiągnięciem Mohsa jest zaproponowana przez niego w 1812 r. dziesięciostopniowa skala twardości minerałów (skala Mohsa). Pozwala ona określać stopień odporności minerałów twardszych na zarysowania przez minerały bardziej miękkie.

Definicja

podział skał ze względu na sposób powstawania –

Definicja

skala twardości Mohsa –
skala twardości minerałów opracowana przez niemieckiego fizyka i chemika − Friedricha Mohsa w roku 1812; dziesięciostopniowa skala stosowana do określania stopnia odporności twardszych minerałów na zarysowania przez materiały bardziej miękkie; pozwala określić, który minerał od innego, ale nie określa, o ile jest twardszy

Definicja

skała –
naturalny zespół jednego lub wielu różnych minerałów powstały w wyniku różnych procesów geologicznych lub kosmologicznych, tworzący podstawowy składnik skorupy ziemskiej

Zadania

Zadanie 2.1.1.

Zadanie 2.1.2.

Zadanie 2.1.3.

Zadanie 2.1.4.

Zadanie 2.1.5.

Zadanie 2.1.6.

Zadanie 2.1.7.