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. left|200px|thumb|ametyst
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 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.
left|150px|thumb|vysoko čistý kremík V súčasnosti sa na prípravu extrémne čistého kremíka používajú chemické metódy. V tzv. Siemensovom postupe je z kremíka najskôr pripravená nejaká plynná zlúčenina, zvyčajne trichlorsilán 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 trichlorsilánu opisuje rovnica:
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:
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.
Slnečné (Solárne) články monokryštalické slnečné články: Sú vyrábané z monokryštalického kremíka. Ich účinnosť je asi 14%. polykryštalické slnečné články: Pri výrobe sa používa polykryštalický kremík, ktorý je oveľa lacnejší. Táto prednosť je však vykúpená menšou účinnosťou, ktorá je asi 8%. amorfné slnečné články: Na amorfnom kremíku je naviazaný vodík, ktorý nasycuje voľné valencie kremíka a tak prispieva k jeho stabilite. Mení pri tom výhodne jeho niektoré elektrické vlastnosti. Účinnosť je však iba 4%.
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.
Minerály na báze SiO2 sa vo forme polodrahokamov vyskytujú v najrôznejších farebných odtieňoch po celom svete. Ich základný prehľad bol spomenutý v predchádzajúcej kapitole.
Vo veľkom množstve okolitých hornín je prítomný kremeň vo forme žíl a vrastlíc. Pri erózii hornín dochádza k narušeniu ich štruktúry a kremeň ako jedna z najtvrdších a najodolnejších súčastí je z horniny vyplavovaný vo forme kremenných pieskov a kamienkov. Tento materiál slúži ako cenná surovina pre sklársky a stavebný priemysel.
V ílovitých horninách je kremík prítomný vo forme mikroskopických častíc. Tieto horniny sú základnou surovinou v keramickom priemysle a uplatnili sa aj pri výrobe stavebných materiálov (pálené tehly a škridle).
Pri príprave elektronických prvkov a integrovaných obvodov sa vytvárajú rôzne druhy SiO2 oxidáciou Si podložky za rôznych podmienok, obvykle za účelom izolácie alebo pasivácie, príp. ako dielektrikum integrovaného kondenzátora. Vrstva SiO2 presne definovanej hrúbky tvorí dôležitú súčasť napr. MOSFET tranzistorov a EEPROM/FLASH pamätí.
Výroba skla right|200px|thumb|ozdobná sklenená váza
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: Pridaním potaše, čiže uhličitanu draselného, sa získava tabuľové sklo na výrobu okien, výkladných skríň a pod. Sklovina pritom tuhne na vrstve roztaveného cínu a vzniknuté tabule majú obzvlášť hladký povrch – tzv. plavené sklo.
Sklo s vyšším obsahom olova sa vyznačuje vysokým indexom lomu a je obzvlášť ťažké. Olovnaté sklo sa používa na výrobu lustrov, bižutérie, ozdobných karáf a pohárov.
Sklo na výrobu optických prístrojov (šošovky, hranoly, optické filtre) obsahuje okrem olova aj bárium, zinok a titán.
Borosilikátové sklá majú časť sklotvorného SiO2 nahradenú oxidom boritým. Prísada oxidu hlinitého zvyšuje ich pevnosť a zlepšuje spracovateľnosť skloviny. Borosilikátové sklá sú žiaruvzdorné a chemicky odolné. Používajú sa ako laboratórne a varné sklo pre domácnosť.
Chemicky najjednoduchšie je kremenné sklo, tavený čistý oxid kremičitý SiO2. Prepúšťa ultrafialové lúče, má výbornú chemickú a tepelnú odolnosť, znesie prudké ochladenie bez popraskania. Vysoká taviaca teplota okolo 1 800 °C a s tým spojená cena kremenného skla obmedzuje jeho praktické využitie na výrobu laboratórnych potrieb a špeciálnych žiaroviek.
Kremičitany right|250px|thumb|Zeolit
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.