Loading AI tools
14. pierwiastek chemiczny Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Krzem (Si, łac. silicium) – pierwiastek chemiczny, z grupy półmetali w układzie okresowym. Izotopy stabilne krzemu to 28Si, 29Si i 30Si. Wartościowość w większości związków wynosi 4, rzadziej spotykane są związki z krzemem dwuwartościowym. Typowe stopnie utlenienia to −IV i IV, rzadko −II i II; znane są też związki o st. utl. 0[4][5]. Krzem (w postaci monokryształów) jest wykorzystywany powszechnie w przemyśle elektronicznym.
| glin ← krzem → fosfor | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wygląd | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| srebrzystoszary | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 Widmo emisyjne krzemu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ogólne informacje | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nazwa, symbol, l.a. |
krzem, Si, 14 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Grupa, okres, blok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stopień utlenienia |
−IV, −II, 0, II, IV | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości metaliczne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Właściwości tlenków | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Masa atomowa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stan skupienia |
stały | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gęstość |
2330 kg/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura topnienia |
1410–1414 °C[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Temperatura wrzenia |
2355 °C[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Numer CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PubChem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Krzem został zidentyfikowany jako pierwiastek przez Antoine’a Lavoisiera w 1787. W 1800 Humphry Davy błędnie uznał, że krzem jest związkiem chemicznym, i opinia ta przetrwała do 1822, kiedy to Jöns Jacob Berzelius otrzymał czysty krzem z krzemionki SiO2, przeprowadzając ją kwasem fluorowodorowym w SiF4 i redukując go potasem[6].
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 jego symbolu pochodzą nazwy zewnętrznych warstw Ziemi – sial (Si + Al) i sima (Si + Mg).
Przeciętna zawartość krzemu w glebie jest podobna jak w litosferze, ale w zależności od typu może być niższa niż 1% lub bliska 50%[7]. Zawartość w wodach podziemnych jest różna, w porównaniu z zawartością w skałach niska, gdyż związki krzemu są słabo rozpuszczalne, choć wystarczająca do uznania krzemu za makroelement. Największe stężenie rozpuszczonych związków krzemu występuje w wodach termalnych, gdzie przekracza 100, a nawet 600 mg/dm³, jednak średnia zawartość krzemionki rozpuszczonej w wodach podziemnych to kilkanaście mg/dm³[8]. Zawartość w tkankach roślinnych mieści się w zakresie od kilku setnych procenta suchej masy (np. w korzeniach buraka cukrowego), przez kilka dziesiętnych procenta (np. w pędach roślin motylkowatych), kilka procent (wiele zbóż), kilkanaście procent (np. w skrzypach), do 20% (w ryżu). W uproszczeniu w tkankach roślin jednoliściennych jest o rząd wielkości wyższa niż w dwuliściennych. Pewne ilości krzemu znajdują się też w organizmach zwierząt[7].
Krzem, podobnie jak węgiel, tworzy łańcuchy krzem–krzem, krzem–tlen–krzem oraz krzem–azot–krzem. Istnieje dość liczna (około 300 tys.) grupa takich związków, jest ich jednak o wiele mniej niż związków węgla.
Ze względu na zdolność do tworzenia łańcuchów, krzem jest proponowany jako alternatywna wobec węgla podstawa życia.
Najważniejsze związki krzemu to krzemionka, będąca podstawowym składnikiem piasku i szkła, kwasy krzemowe H2nSimO2m+n, ich sole – krzemiany – które są składnikami szkła wodnego, oraz chlorosilany i alkoksysilany, podstawowe substraty do produkcji polisiloksanów i żeli krzemionkowych.
Przemysłowo krzem najczęściej otrzymuje się poprzez redukcję tlenku krzemu węglem w piecach elektrycznych[9][10]:
W wyniku tego procesu powstaje krzem amorficzny, natomiast monokryształy tego pierwiastka uzyskuje się metodą Czochralskiego. Krzem najwyższej czystości do produkcji półprzewodników otrzymuje się przez rozkład termiczny wysoko oczyszczonego trichlorosilanu SiHCl
3 w atmosferze wodoru lub metodą topienia strefowego[9][10].
W skali laboratoryjnej krzem można uzyskać za pomocą redukcji magnezem[9]:
Chociaż krzem jest łatwo dostępny w postaci krzemianów, bardzo niewiele organizmów wykorzystuje go bezpośrednio. Okrzemki, promienice i gąbki krzemionkowe wykorzystują biogeniczną krzemionkę jako materiał strukturalny dla swoich szkieletów. W komórkach roślin występują krzemionkowe fitolity – sztywne mikroskopijne ciała; niektóre rośliny, na przykład ryż, potrzebują krzemu do wzrostu[11][12][13]. Wykazano, że krzem jest zdolny do poprawy wytrzymałości ściany komórkowej i integralności strukturalnej u niektórych roślin[14]. Krzem niweluje negatywne skutki działania czynników stresogennych (w tym wywołanych przez metale ciężkie, zasolenie czy suszę), co wskazuje na uruchomienie w roślinach procesów o charakterze regeneracyjnym lub obronnym[15].
W ciele człowieka występuje ok. 1–2 g krzemu; jest to trzeci, po żelazie i cynku, pierwiastek śladowy w organizmie[16]. Krzem w organizmie jest skoncentrowany głównie w tkance łącznej – aorcie, tchawicy, ścięgnach, kościach i skórze[17]. Krzem wchodzi w skład kompleksów glikozaminoglikanów z białkami, uczestnicząc w tworzeniu struktury tkanki łącznej[17].
W badaniach przeprowadzonych w latach 70. XX wieku wykazano, że w kościach młodych myszy i szczurów krzem jest zlokalizowany w obszarze aktywnego wzrostu. Na początkowym etapie mineralizacji zawartość wapnia i krzemu w rosnącym obszarze kości była niewielka. W miarę mineralizacji ilość wapnia i krzemu wzrastała, natomiast w zaawansowanym etapie mineralizacji zawartość krzemu drastycznie się zmniejszała. Wskazuje to, że krzem uczestniczy w procesie mineralizacji[17]. Wniosek ten został potwierdzony badaniami in vivo: mineralizacja kości zależała od ilości krzemu w diecie szczurów[18].
Badania in vitro wykazały, że krzem stymuluje różnicowanie i proliferację komórek kościotwórczych (osteoblastów) oraz stymuluje syntezę kolagenu typu I[19][20][21].
Istnieją dowody na to, że spożycie krzemu jest ważne do utrzymania zdrowych skóry, kości, paznokci i włosów[22].
Badania na zwierzętach wykazały, że niedobór krzemu w diecie może powodować zaburzenia wzrostu, deformacje czaszki, obniżenie masy ciała oraz gęstości mineralnej kości[18]. Suplementacja krzemu natomiast sprzyjała wbudowaniu wapnia do tkanki kostnej, zwiększało mineralną gęstość kości oraz obniżało częstotliwość urazów[18]. Podanie krzemu samicom szczurów z usuniętymi jajnikami (zwierzęcy model osteoporozy) zmniejszało resorpcję kości, zwiększało tempo tworzenia kości oraz zwiększało gęstość mineralną kości. Stymulację procesów budowy kości zaobserwowano nawet u zwierząt z niedoborem wapnia, chociaż suplementacja krzemem i wapniem jednocześnie powodowała największy wzrost gęstości mineralnej kości[23].
Wiadomo, że dieta dostarczająca więcej niż 40 mg krzemu dziennie jest powiązana z wyższą gęstością mineralną kości udowej w porównaniu do diety dostarczającej mniej niż 14 mg krzemu dziennie[24].
Badania przeprowadzone na grupie kobiet z osteopenią wskazują, że jednoczesna suplementacja krzemem, wapniem i witaminą D wykazuje większy pozytywny wpływ na gęstość mineralną kości niż suplementacja tylko wapniem i witaminą D[25].
Spożycie krzemu w populacji polskiej wynosi około 24 mg/dobę u kobiet i 27,7 mg/dobę u mężczyzn[26]. Jest to znacznie mniej niż w społecznościach, których jadłospis bazuje na warzywach; w Indiach i Chinach spożycie krzemu wynosi 140–204 mg/dobę[16].
Dwutlenek krzemu jest dopuszczony do stosowania w produktach spożywczych jako substancja przeciwzbrylająca (E551) – jednak przyswajalność krzemu z dwutlenku krzemu wynosi mniej niż 1%.
Kwas ortokrzemowy jest dobrze rozpuszczalną substancją, naturalnie występującą w zbożach, owocach, warzywach i wodach mineralnych. Przyswajalność krzemu z kwasu krzemowego wynosi około 43%[23]. Jednak w środowisku wodnym, w stężeniach przekraczających 0,1% molekuły kwasu krzemowego ulegają polimeryzacji, tworząc kwas polikrzemowy o znacznie mniejszej biodostępności. W celu zapobiegania polimeryzacji monomerów kwasu krzemowego opracowano kilka metod stabilizacji:
Wszystkie trzy rodzaje są dopuszczone do stosowania w suplementach diety.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
