Krzem

Dlaczego warto poświęcić miejsce temu pierwiastkowi? Jest kilka powodów, po pierwsze dlatego, że w klasie III gimnazjum uczymy się o krzemie, krzemionce i szkle, a poza tym, gdyby nie poznanie właściwości krzemu i jego związków, to dziś nie moglibyśmy korzystać z internetu (światłowody), nie mielilibyśmy wielu takich urządzeń jak telefon komórkowy, komputery, telewizory itp..
Krzem (symbol chemiczny Si, łac. silicium) – pierwiastek chemiczny, z grupy półmetali w układzie okresowym. Izotopy stabilne krzemu to 28Si, 29Si i 30Si. Wartościowość: 4 (w większości związków), 5 i 6. Krzem (monokryształy krzemu) jest wykorzystywany powszechnie w przemyśle elektronicznym.
Dolina Krzemowa (ang. Silicon Valley) to nazwa nadana północnej części Doliny Santa Clara, która znajduje się w północnej części amerykańskiego stanu Kalifornia. Zgodnie z nazwą tereny te stanowią od lat 50. XX-wieku centrum amerykańskiego przemysłu tzw. „nowych technologii”, głównie przemysłu komputerowego.  Termin został utworzony przez amerykańskiego dziennikarza Dona C. Hoeflera w 1971 roku (http://www.netvalley.com/donhoefler.html). Korzystne warunki do rozwoju przedsiębiorczości i niskie ceny gruntu przyczyniły się do dynamicznego rozwoju tej okolicy.
 Firmy należące do gigantów przemysłowych, które mają swoje siedziby w Krzemowej Dolinie: Adobe Systems, Advanced Micro Devices, Agilent Technologies, Altera, Apple Computer, Applied Materials, BEA Systems, Cadence Design Systems, Cisco Systems, eBay, Electronic Arts, Google, Hewlett-Packard, Intel, Intuit, Juniper Networks, Knight-Ridder, Maxtor Corporation, National Semiconductor, Network Appliance, NVIDIA Corporation, Oracle Corporation, Siebel, Sun Microsystems, Symantec, Synopsys, Veritas Software, Yahoo!. Więcej o Dolinie Krzemowej w artykule http://archiwum.wiz.pl/1997/97123100.asp
Krzem został zidentyfikowany jako pierwiastek przez Antoine Lavoisiera w 1787. Humphry Davy, w 1800 r. błędnie uznał, że krzem jest związkiem chemicznym i opinia ta przetrwała aż do 1824 r. kiedy to Jöns Jacob Berzelius otrzymał czysty krzem z krzemionki SiO2.
 Zawartość krzemu w zewnętrznych strefach Ziemi wynosi 26,95% wagowo. Jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem. Krzemionka SiO2 w różnych odmianach polimorficznych (kwarc, trydymit, krystobalit) oraz krzemiany i glinokrzemiany stanowią większość skał tworzących skorupę ziemską Od niego pochodzi nazwa pierwszej, zewnętrznej warstwy globu SiAl.
 Wszystkie rośliny żywe (nie suszone) zawierają rozpuszczalne i przyswajalne przez organizm człowieka związki krzemu. W największych ilościach występują one w skrzypach, poziewniku, rdeście ptasim, pokrzywie, podbiale, perzu, poziomce i konopiach. Drugim ważnym dla człowieka źródłem przyswajalnych związków krzemu jest mleko i przetwory mleczne.

Krzem ma zastosowanie jako odtleniacz do stopów miedzi, jest również używany jako dodatek do stali stopowych, żelaza, glinu itd., polepszając ich właściwości mechaniczne i odporność na korozję. W technice fal krótkich stosuje się detektory krzemowe. Z krzemu wyrabia się soczewki do promieni podczerwonych. Krzem znajduje duże zastosowanie jako półprzewodnik w układach scalonych oraz fotoogniwach przetwarzających energię świetlną w elektryczną (baterie słoneczne). zastosowanie związków krzemu. Silikony są materiałem do wyrobu smarów, olejów, lakierów, żywic, izolacji elektrycznych; Krzemiany i krzemionka stanowią podstawowy surowiec dla przemysłu szklarskiego, ceramiki, materiałów budowlanych (np. szkło kwarcowe, bardzo odporne termicznie i chemicznie, służy do wytwarzania naczyń laboratoryjnych; ponadto, ponieważ jest ono przepuszczalne dla promieni nadfioletowych, wykorzystuje się go do wyrobu części aparatów optycznych i lamp kwarcowych). Roztwory wodne krzemianów sodu i potasu tworzą tzw. szkło wodne. Węglik krzemu SiC stosowany jest do wyrobu materiałów ściernych, ogniotrwałych, elementów oporowych.
 Dzienne zapotrzebowanie na krzem wynosi 200 mg. Kobiety po 30 roku życia w celu zapobiegania cellulitis i przedwczesnemu starzeniu skóry powinny zażywać preparaty i wody krzemionkowe. Krzem działa przeciwłuszczycowo i przeciwtrądzikowo. Korzystnie działa również przemywanie skóry przetworami krzemionkowymi oraz wodą zdrojową zawierającą kwas krzemowy oraz krzemiany.

Szkło
Szkło – Według standardu ASTM–162 (1983 r.) – szkło zdefiniowane jest jako nieorganiczny materiał który został schłodzony do stanu stałego bez krystalizacji.
 W literaturze można spotkać wiele mniej lub bardziej poprawnych definicji szkła czy też jak wolą niektórzy stanu szklistego. Najbardziej popularne jest prawdopodobnie definiowanie tego stanu w oparciu o budowę wewnętrzną, mianowicie że nie posiada ona uporządkowania dalekiego zasięgu. Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina rozmieszczenie molekuł w cieczy lub nawet gazie przy czym nie posiadają one możliwości przemieszczania się lub też możliwość ich ruchu jest ekstremalnie mała z powodu bardzo dużej lepkości. Szkło wykazuje dążność do krystalizacji, jednak nie dochodzi do niej nawet po bardzo długim okresie czasu z powodu lepkości – jej wartość w warunkach normalnych jest taka sama jak dla krystalicznych ciał stałych. Wiele szkieł nie skrystalizuje nigdy – nawet w skali czasu wszechświata.
Otrzymywanie szkła
Surowcem do produkcji tradycyjnego szkła jest piasek kwarcowy oraz dodatki, najczęściej: węglan sodu (Na2CO3) i węglan wapnia (CaCO3), topniki: tlenki boru i ołowiu (B2O3, PbO) oraz pigmenty, którymi są zazwyczaj tlenki metali przejściowych (kadm, mangan i inne). Surowce są mieszane, topione w piecu (tzw. wannie szklarskiej) w temperaturze 1200–1300°C(dzięki dodaniu węglanu sodu), po czym formowane w wyroby przed pełnym skrzepnięciem. Naturalne szkło, jak obsydian, wykorzystywano jako broń w Ameryce. Produkcja szkła znana była już ponad pięć tysięcy lat temu. W I w. p.n.e. znano metodę wytwarzania przedmiotów przez wydmuchiwanie, w XIX w. wynaleziono metodę odlewania. 
Rodzaje szkieł
Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne. Przykłady:
 szkło zielone zawiera związki żelaza(III) i chromu(III),
 szkło niebieskie zawiera związki kobaltu(II) i miedzi(II),
 szkło fioletowe zawiera związki manganu(VII),
 szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki,
 szkło czerwone zawiera koloidalne cząsteczki złota.
 szkło jenajskie zwane też szkłem boro–krzemianowym – po raz pierwszy wynalezionym w Jenie, które cechuje stosunkowo niską temperaturą topnienia (ok. 400°C), łatwością formowania i jednocześnie wysoką odpornością na nagłe zmiany temperatury. Jest ono stosowane w sprzęcie laboratoryjnym i kuchennym. Jego odmianą jest szkło pyrex, które posiada skład znacznie ulepszony w stosunku do szkła jenajskiego.
 szkło ołowiowe (kryształowe) – przepuszczalne dla ultrafioletu, o bardzo wysokim współczynniku załamania światła. Jest bezbarwne lub o odcieniu żółtym lub fioletowym. Gęstość 3,4 – 4,6 g/cm3. Używane do produkcji wyrobów dekoracyjnych, soczewek optycznych, przezroczystych osłon przed promieniowaniem rentgenowskim (o grubości równoważnej zwykle 2 lub 5 mm ołowiu) i promieniowaniem gamma.
 szkło okienne – jest to szkło płaskie, najczęściej produkowane metodą float (szkło płynie w postaci wstęgi na powierzchni ciekłej cyny). 
 szkło płaskie walcowane – produkowane najczęściej jako szkło ornamentowe (wzorzyste) w grubościach od 3 do 8 mm.
 szkło płaskie zbrojone – z wtopioną metalową siatką zbrojeniową, w taflach o grubości od 5 do 8 mm.
 szkło płaskie barwione w masie (często stosowana jest nazwa handlowa – Antisol) – szkło takie posiada cechę pochłaniania energii promieniowania słonecznego, dlatego nazywane jest też szkłem przeciwsłonecznym. Ze względu na własności absorpcji promieniowania słonecznego szkło takie w budownictwie poddawane jest procesowi hartowania, aby zwiększyć jego odporność na powierzchniową różnicę temperatur.
 szyby zespolone – zestawy szyb złożone z dwóch, trzech lub więcej pojedynczych szyb przedzielonych ramką dystansową, które produkuje się z dwustopniowym uszczelnieniem krawędzi zespolenia.
 szkło hartowane – o większej wytrzymałości mechanicznej i większej odporności na powierzchniową różnicę temperatur. Otrzymywane przez poddanie szkła zwykłego odpowiedniej obróbce termicznej polegającej na podgrzaniu do temperatury 620 – 680°C i bardzo szybkim schłodzeniu sprężonym powietrzem – co powoduje zmianę jego mikrostruktury. Na skutek wysoce krystalicznej struktury, przy rozbiciu szkło to rozpada się na małe kawałeczki o nieostrych krawędziach. Używane w budownictwie i do produkcji szyb samochodowych.
 szkło refleksyjne – szkło płaskie, które w procesie on–line (metoda pyrolityczna) lub off–line (metoda magnetronowa), poddawane jest obróbce polegającej na napyleniu specjalnej selektywnej powłoki, która przepuszcza światło, ale posiada duży współczynnik odbicia promieniowania podczerwonego. Zastosowanie takiego szkła latem zabezpiecza pomieszczenia przed nagrzaniem, zimą ogranicza wypromieniowanie ciepła z wnętrza pomieszczenia. Przez możliwość naniesienia warstwy refleksyjnej o różnej barwie – daje ciekawe efekty architektoniczne na elewacjach budynków.
 szkło elektroprzewodzące – z naniesioną powłoką z materiału elektroprzewodzącego.
 szkło nieprzezroczyste (marblit) – w postaci płyt i płytek używanych do dekoracji ścian.
 Ponadto ze szkła produkowane są wyroby takie, jak np. pustaki szklane, wełna szklana. W programie „Jak to jest zrobione” można było w jednym z odcinków obejrzeć film o produkcji wełny szklanej.
Światłowody 
Bardzo ciekawym zastosowaniem szkła są światłowody. Światłowód to struktura prowadząca fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Ogólnie, światłowód możemy określić jako falowód optyczny. Popularne rodzaje światłowodów to światłowody włókniste (najczęściej – błędnie – określane po prostu jako światłowody), światłowody warstwowe i światłowody paskowe. Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych lub do transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych.

Krzemionka jest końcowym produktem bardzo powolnego rozkładu krzemianów pod wpływem wody i dwutlenku węgla. Występuje w przyrodzie w dużych ilościach jako piasek. Zawiera najczęściej różne zanieczyszczenia. Prawie czystą krzemionką jest piasek morski. W zależności od postaci, w jakiej występuje i zabarwienia tlenek krzemu tworzy różne minerały. 
  • Wzór chemiczny: SiO2 – dwutlenek krzemu.
  • Twardość w skali Mohsa – 7 
  • Łupliwość – brak;
  • Rysa – barwa biała, ze względu na wysoką twardość trudna do uzyskania;
  • Gęstość – 2,65 g/cm3
  • Barwa – bezbarwny, biały, szary, odcienie barwy żółtej, pomarańczowy, różowy, brązowopurpurowy, fioletowy, zielony, czarny; rzadko niebieski.
  • Połysk – szklisty, na powierzchni przełamu – tłusty.

Kwarc występuje w wielu odmianach:
Kwarc makrokrystaliczny: 
 kryształ górski – przezroczysty
 ametyst – fioletowy
 kwarc różowy
 cytryn – żółty
 kwarc dymny – brązowy
 morion – czarny
 awenturyn – jasnozielony
 kwarc mleczny – biały
 kwarc niebieski = kwarc azurytowy też: szafirowy, lazurytowy, krokidolitowy
 kwarc zielony
 krystobalit
Migotliwe odmiany kwarcu:– obecność wrostków azbestu lub krokidolitu daje odpowiednio: 
 kwarcowe tygrysie oko
 kwarcowe kocie oko
 kwarcowe sokole oko
 kwarcowe bawole oko
Kwarc skrytokrystaliczny: 
 chalcedon 
 agat 
 agat mszysty
 onyks
 sardonyks
 sard
 ciemnozielony praz (prazolit)
 zielony chryzopraz
 heliotrop
 jaspis
 karneol
 krzemień
 czert
 plazma (minerał)
 kwarcyt

Światłowody
Darmowe strony internetowe dla każdego