Křemen je přírodní oxid křemičitý SiO2, jedná se o jednu z nejhojnějších složek zemské kůry. Společně se živci se jedná o nejrozšířenější minerál v zemské kůře. Křemen je mimořádně hojný minerál, nejčastěji se vyskytuje jako světle šedý či bílý v mnoha horninách, má však také mnoho zajímavých barevných variet a pestrou škálu krystalových tvarů. Struktura křemene je tvořena sítí tetraedrů SiO4, které jsou spojeny svými vrcholy a každý křemík tak sdílí se sousedy kyslíky. Křemen patří mezi oxidy, jeho struktura je však zároveň základem struktury tektosilikátů (tedy hlavně živců, foidů a zeolitů).
Křemen může vznikat do 870 oC při různých tlacích, vyskytuje se ve většině světlých magmatických hornin. Při teplotách nad 573 oC krystalizuje z magmatu hexagonální β-křemen (vyšší křemen). Za nižších teplot vzniká trigonální α-křemen (nižší křemen), který může vznikat i dlouhodobou vnitřní rekrystalizací vyššího křemene. Nižší křemen je mnohem běžnější, prakticky všechny pěkné dutinové krystaly náleží nižšímu křemeni.
Křemen vytváří dlouze sloupcovité šestiboké krystaly, odborně se jedná o hexagonální prizma (šestiboký hranol) ukončené romboedry (pravé a levé klence). Plochy prizmatu bývají téměř vždy příčně rýhované. Podle orientace klenců se krystal křemene označuje jako levý anebo pravý. Křemeny často dvojčatí. Japonský srůst - srůstají dva krystaly s prizmaty v úhlu přibližně 84,5 stupně. Dauphinéský (také alpský či švýcarský) srůst - srůstá pravý křemen s pravým anebo levý s levým.
Mezi další typické tvary patří kostrovitý vývoj krystalů, hypoparalelní srůsty a zejména sběratelsky vyhledávané žezlové (holubníkové) křemeny, kdy na původní tenký krystal narůstá mladší a větší. Další specialitou jsou tzv. fantomy, kdy na starším menším krystalu naroste větší.
Barva křemene je velmi proměnlivá, nejčastěji našedlá či bílá. Existuje však i řada variet, které jsou zbarvené díky defektům ve struktuře či mikroskopickým příměsím dalších minerálů. Běžná je čirá (křišťál), fialová (ametyst), hnědá (záhněda), žlutá (citrín), růžová (růženín), zelená (prasem a avanturín) či neprůhledná jasně červená a žlutá (železité křemeny).
Čtěte také: Cíle ČR 2050
Křemen je velmi tvrdý (stupeň tvrdosti 7), rýpe i do skla a je neštěpný. Lom křemene je lasturnatý, někdy až tříštivý. Kromě vysoké mechanické odolnosti je křemen také velice odolný proti působení chemikálií, dobře se rozpouští pouze v kyselině fluorovodíkové (HF). Krystaly mají piezoelektrické vlastnosti.
Křemík je velmi lehký prvek, který se proto vyskytuje především v zemské kůře. Společně s kyslíkem vytváří velmi hojný křemen (oxid křemičitý), nejčastěji ve formě krystalického křemene a amorfního opálu (další formy SiO2 vznikají jen za extrémních teplot a tlaků). Křemen vzniká krystalizací z magmatu, je součástí většiny běžných magmatických hornin (žuly, pegmatity, diority, ryolity). Díky své vysoké mechanické i chemické odolnosti přechází při zvětrávání i do mnoha sedimentárních hornin (pískovce, slepence, brekcie).
Může vznikat i chemickým srážením z roztoků (rohovce, opály) či usazováním křemičitých schránek a jehlic hub (radiolarity, spongility). Magmatické i sedimentární horniny se mění na metamorfované horniny, křemen bez problémů vydrží většinu běžných tlaků i teplot v zemské kůře a přechází proto i do metamorfitů (ruly, kvarcity, granulity, amfibolity).
Druhým typickým způsobem vzniku křemene je krystalizace či vysrážení z vodních (hydrotermálních) roztoků. Za běžných povrchových podmínek je samozřejmě rozpustnost křemene ve vodě velmi malá, hlouběji v zemské kůře však díky vyššímu tlaku, teplotě i přítomnosti dalších látek výrazně roste. Z podobných roztoků vznikají jak klasické křemenné žíly, tak rudní žíly s křemenem a karbonáty, fluorit-barytové žíly s křemenem a řada dalších typů. Za nižších teplot a tlaků pak vznikají také alpské žíly, které jsou speciálním typem hydrotermálního procesu. Většina druhů žil je vázána na zlomy a další tektonické poruchy, kde mohou roztoky snadno proudit. Na hydrotermálních a zejména alpských žilách často vznikají nádherné ukázky krystalovaných křemenů.
Křemen je běžnou součástí stavebních hmot, v písku a štěrku. Čisté křemenné písky se používají zejména ve sklářství, keramickém průmyslu a hutnictví. Křemen také slouží jako plnivo a abrazivo. Vysoce čistý křemen je zdrojem Si pro výrobu polovodičů. Drahokamové křišťály, záhnědy, citríny a ametysty se hojně využívají ve šperkařství.
Čtěte také: Více o CO2 v atmosféře
Kromě běžných zrn v horninách se vyskytují ve větších kusech zejména v blokových zónách a křemenných jádrech pegmatitů a také v samostatných křemenných žilách, často s fluoritem či zrudněním. Zejména na křemenných a rudních žilách se vyskytují dutinové krystaly mléčného (bílého) křemene. Mezi klasické lokality křemenných žil patří Bochovice a Hostákov, pěkné křemeny pochází také z rudních žil v Příbrami, na Krupce a Cínovci a mnoha dalších lokalitách.
Ametysty mají fialovou barvu, která vzniká díky přirozené radiaci z okolních hornin a přítomnosti Fe ve struktuře. Zahřátím se barva mění na žlutooranžovou, což je mezi obchodníky oblíbený způsob výroby citrínů a ametrínů. Většina ametystů na denním světle časem bledne. Ametysty často vyplňují geody (dutiny ve vulkanických horninách), kde tvoří souvislou výplň, obvykle tvořenou pouze klencovými špicemi bez vyvinutých prizmat. Prizmatické a žezlové ametysty jsou vzácně přítomné na hydrotermálních žilách a v pegmatitech, někdy dokonce i na alpských žilách. V pegmatitech a na alpských žilách někdy vznikají krystaly tvořené částečně záhnědou i ametystem, někdy také ametysty narůstají na záhnědové žezlo.
Dalším typickým výskytem ametystu jsou masivní křemenné žíly, kde se zpravidla střídají vrstvy ametystu a mléčného křemene a vytváří typické vrstevnaté struktury. Zonální ametystové žíly se vyskytují především v Bochovicích a Hostákově, podobné jsou známé i ze západních Čech. Ametysty vyplňují melafyrové geody v Podkrkonoší, z České Meze a Nového Veselí pochází nádherné žezlové ametysty. Ze světových lokalit jsou významné především obří geody s ametysty z Uruguaye a Brazílie, méně časté jsou v Indii. Zajímavé prizmatické ametysty pochází z Mexika a Kazachstánu, zvláštní ametystové srostlice zvané "cactus quartz" jsou z JAR. Špičkové ametysty pochází z lokalit v Namíbii, vynikající záhnědová žezla s ametystovými krystaly se nachází v Nevadě v USA.
Hnědé a kouřové křemeny se označují jako záhněda. Barva záhněd souvisí s nepatrnou příměsí hliníku ve struktuře a vzniká zřejmě až dlouho po vykrystalování křemene vlivem přirozené radiace. U přírodních záhněd jejich barva mizí při teplotách nad 200 oC. Obchodníci záhnědy s oblibou vyrábí umělým ozářením mnohem hojnějších křišťálů či běžného křemene, nejčastěji jsou k vidění umělé záhnědy z Rumunska (Cavnic nebo Turt). Ani na jedné lokalitě se záhnědy nevyskytují.
Mezi typické lokality záhněd patří především řada pegmatitů na Vysočině, ale i v jižních a západních Čechách. Špičkové záhnědy pochází také z rudních žil na Cínovci. Mezi světově proslulé lokality záhněd patří alpské žíly ve Francii, Švýcarsku a Itálii. Krásné záhnědy pochází také z pegmatitů v Coloradu v USA, v Brazílii, Rusku, Namíbii, na Madagaskaru a mnoha dalších lokalitách.
Čtěte také: Růženín: Vlastnosti a využití
Extrémně tmavé záhnědy, obvykle prakticky neprůhledné a černé, se označují jako morion. Přírodní moriony jsou poměrně vzácné, lze na ně narazit v pegmatitech, mnohem běžnější jsou například v Hostákově na křemenných žilách nebo na Cínovci. Světové lokality morionu jsou v Coloradu v USA, v Rusku a Mongolsku.
Růžové křemeny se česky označují jako růženín, ovšem v němčině i angličtině existují dvě variety růžového křemene. První je běžný růženín, který se nejčastěji vyskytuje v jádrech pegmatitů. O původu zbarvení se doposud vedou spory a zřejmě neexistuje pouze jedna univerzální příčina. Mezi uváděné možnosti patří příměs TiO2, inkluze dumortieritu i radiace. Růženíny jsou obvykle poměrně stabilní, ale některé na denním světle časem blednou. Klasickými nalezištěmi růženínu jsou Dolní Bory, Údraž a Písek, ale vyskytuje se i na řadě dalších pegmatitů. Mezi hlavní světové lokality patří mohutné pegmatity v Brazílii a na Madagaskaru, kde se těží i bloky desítky metrů mocné a sytě barevné.
Druhým typem růžového křemene jsou jeho krystalické formy, často i poměrně průhledné. Narozdíl od běžného růženínu je zbarvení způsobeno náhradou malého množství Si ve struktuře za Al a P, zároveň je nutná i silná radiace. Krystalované růžové křemeny jsou velmi vzácné, často jsou pozdní a narůstají v pegmatitových dutinách na záhnědy. Krystalované růžové křemeny se vzácně vyskytují také na ametystových žilách. Tyto křemeny na světle rychle blednou! Jedinou produktivní zemí pro krystalované růžové křemeny je Brazílie, přestože původně byly popsány z USA.
Žluté křemeny se označují jako citríny, u některých mohou krystaly vypadat hnědé anebo hnědozelené a výrazně žluté jsou až při prosvícení. Přírodní citríny jsou poměrně vzácné, jejich zbarvení má zřejmě víc příčin. Skoro všechny citríny na trhu jsou přepálené ametysty. Nejběžnější jsou typické ametystové geody z Brazílie, které mají charakteristickou oranžovou barvu, kterou přírodní citríny nemívají. Krásné citríny pochází z Vysočiny, zejména z Bobrůvky, Suků a Laštoviček. Mezi významné světové výskyty patří především pegmatity v Rusku, Namíbii či na Madagaskaru.
Čiré křemeny se označují jako křišťál, často se vyskytují jako prizmatické krystaly na hydrotermálních žilách. Může jít o výše teplotní čistě křemenné žíly, nízkoteplotní alpské žíly anebo rudní žíly s křemenem. Nádherné křišťály pochází především z Velké Kraše, Červené Vody, Vernířovic a Korálových jam v Jeseníkách. Menší krystaly křišťálu pochází také z řady hydrotermálních žil, například z Příbrami, Ratibořských Hor, Krupky a dalších. Na českých pegmatitových žilách jsou čisté křišťály méně běžné. Mezi světovými křišťály dominují zejména vynikající a obrovské krystaly z Colemans Mine v USA, z Číny a Brazílie. Velké a velice čisté křišťály pochází také z Alp a Afghanistánu.
Speciální varietou křemene jsou vějířkovité růžice, někdy uspořádané až do kulovitých agregátů. Českou klasikou je lokalita Strážník u Peřimova, která je však již poměrně vyčerpaná a navíc v rezervaci. Velmi zajímavé a barevné hvězdovce pochází i z oblasti Barrandienu.
Takzvané železáky jsou českou specialitou, vyskytují se zejména v okolí Brd. Jedná se o masivní prokřemenělé kusy, pestře zbarvené oxidy železa do červena a do žluta. Běžně se vyskytují také společně se stříbrným hematitem a vytváří zajímavé proužkované či skvrnité textury (tzv. pisolity). V některých oblastech se vyskytují prokřemenělé stromatolity se zajímavou vrstevnatou texturou. Železáky se obvykle řežou a leští. Nejčastěji se sbírají na polích v okolí Holoubkova, Cheznovic, Olešné či Zaječova. Samozřejmě existuje i řada výskytů železem zbarvených křemenů mimo Brdy, obvykle však nejsou pro sběratele tak atraktivní jako u nás.
Odrůdou křemene je také kryptokrystalický chalcedon, který byl dříve považován za amorfní. Chalcedon má vláknitou mikrostrukturu a často vzniká vnitřní rekrystalizací amorfního opálu. Chalcedon běžně obsahuje ve struktuře až 30 % amorfního opálu či móganitu (monoklinický oxid křemičitý). Mezi typické výskyty patří především geody a pukliny ve vulkanitech, často také vyhojuje pukliny v hadcích. Protože však vytváří celou řadu poddruhů či směsí s opálem, jako jsou jaspisy, onyxy, acháty, plazmy a další, bude mu věnován samostatný článek.
Oxid křemičitý se běžně vyskytuje v přírodě jako písek, křemen a podobně. Výborně pohlcuje vodu a stále zůstává sypký = je hydroskopický. Nalezneme jej v široké škále produktů, kde zabraňuje tomu, aby výrobek zvlhl a stal se nepoužitelným. Považuje se za bezpečnou látku. Lze jej použít i v dětské výživě (omezené množství).
Používá se v kypřícím prášku, sušených smetanách do kávy a podobných sypkých náhražkách mléka a smetany, dále jej nalezneme v kakau, strouhaném sýru, sušené zelenině, v sypkém koření, různých sypkých směsích. Zde všude absorbuje vodu a brání zvlhnutí výrobku. Dále jej můžeme najít v některých alkoholických nápojích jako je pivo a víno. V chipsech a keksech funguje jako nosič aroma. Smí se používat jako protispékavá látka u suchých práškovitých výrobků (cukr, koření, jedlá sůl, náhražky soli), u tabletovaných potravin, plátkových tvrdých a tavených sýrů. Může být použit pro vegetariány, vegany i pro všechna náboženství.
Vyrábí se mletím křemene nebo písku na jemné částice, ty se potom vaří s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku hydroskopického gelu. Pro tuto látku nebyla stanovena hodnota ADI (Acceptable Daily Intake = přijatelná denní dávka). U látky nejsou známé žádné vedlejší ani nepříznivé účinky na lidské zdraví.
V ČR (celé EU) je oxid křemičitý povolen jako přídatná látka k potravinám, v dětské výživě v omezeném množství k příkrmům.
Oxid křemičitý, známý též jako křemík oxid (systematický název: oxid křemičitý, anglicky silicon dioxide, CAS číslo: 7631-86-9), je anorganická sloučenina složená z křemíku a kyslíku. Patří mezi nejhojnější sloučeniny na Zemi a je základní stavební jednotkou mnoha přírodních minerálů. Najdeme ho v písku, křemeni, žule i ve sklech. Díky své inertnosti, tvrdosti a chemické stabilitě hraje oxid křemičitý zásadní roli v moderním průmyslu.
Oxid křemičitý má chemický vzorec SiO₂ a v přírodě se nejčastěji vyskytuje ve formě minerálů jako je křemen, tridymit nebo cristobalit. Má pevné skupenství, je bezbarvý až bílý a bez zápachu. Bod tání silica je velmi vysoký, přibližně 1 600-1 720 °C, v závislosti na krystalové formě. Neexistuje forma, která by oxid křemičitý odpařovala při běžných teplotách - místo toho při vysokých teplotách sublimuje. V přírodě tvoří více než 60 % zemské kůry.
Silicon dioxide nachází široké uplatnění v nejrůznějších odvětvích. V potravinářském průmyslu se používá jako protispékavé činidlo (např. v sypkých směsích jako mouka, koření, cukr). Ve farmacii působí jako pojivo, plnidlo nebo nosič - jeho inertnost a chemická stabilita umožňují bezpečné použití v tabletách a kapslích. Průmyslové aplikace jsou mimořádně rozsáhlé. Oxid křemičitý je základní surovinou pro výrobu skla, zejména křemenného a laboratorního. Používá se také při výrobě keramických materiálů, betonů, silikonů i při výrobě elektronických komponent - například polovodiče obsahují formy SiO₂ jako izolační materiál.
Oxid křemičitý je druhou nejrozšířenější sloučeninou v zemské kůře, hned po kyslíku. Přirozeně se vyskytuje v horninách sedimentárního i magmatického původu, a to ve formách jako je písek, žula nebo vápenec s obsahem SiO₂. Průmyslová výroba obvykle využívá tavení čistého křemene s uhličitanem sodným nebo vápenatým při vysokých teplotách.
Oxid křemičitý je obecně považovaný za bezpečný pro zdraví, pokud se používá v souladu s určeným účelem. V nerozpustné formě (např. prášek nebo mikrogranule) není toxický a není klasifikován jako nebezpečný. Z ekologického hlediska se jedná o neškodnou látku, neboť se přirozeně vyskytuje v prostředí a není perzistentní v biosféře jako některé těkavé organické látky nebo těžké kovy.
S oxidem křemičitým se běžně setkáváme i v každodenním životě - například jako balicí prostředek "silikagel", který slouží k vysoušení a ochraně proti vlhkosti. Dalším příkladem je sklo, které je z klimatického hlediska mnohdy udržitelnější než plasty, protože je recyklovatelné a vyráběné převážně právě z křemičitého písku.
Oxid křemičitý, křemík oxid nebo silicon dioxide je látka mimořádného významu. Jeho hojný výskyt, chemická stabilita a funkční vlastnosti z něj činí nezastupitelnou součást mnoha oborů - od potravinářství po hi-tech průmysl. Ať už ve formě písku, skla či jemného prášku, jeho přínosy pro společnost jsou nepopiratelné.
Křemík (lat. silicium) je chemický prvek se symbolem Si a atomovým číslem 14. Je to polokov, který se nachází ve 4. skupině periodické tabulky. V čisté podobě se křemík v přírodě nevyskytuje, setkáváme se pouze s jeho sloučeninami. Je po kyslíku druhým nejvíce zastoupeným prvkem v zemské kůře.
Křemík je druhým nejběžnějším prvkem v zemské kůře. Elementární křemík se v přírodě nevyskytuje, nejběžnější formou je křemen - oxid křemičitý, SiO2. Je reaktivnější než uhlík, za vysokých teplot reaguje s kyslíkem, halogeny, sírou, dusíkem, fosforem, borem i uhlíkem za vzniku binárních sloučenin.
Přírodní křemík se skládá ze tří izotopů, největší zastoupení má izotop 28Si. Jediným NMR aktivním izotopem je 29Si. Izotop 31Si se využívá pro studium procesů, ve kterých je zapojen křemík.
Sloučeniny křemíku jsou rozmanité a mají široké uplatnění. Patrně nejvýznamnější anorganickou sloučeninou křemíku je oxid křemičitý, SiO2. Ve velkém množství okolních hornin je křemen přítomen ve formě žil a vrostlic. Při erozi hornin dochází k narušení její struktury a křemen je jako jedna z nejtvrdších a nejodolnějších součástí z horniny vyplavován ve formě křemenných písků, oblázků a valounů. V jílových horninách je křemík přítomen ve formě mikroskopických částic.
Dalšími důležitými sloučeninami jsou silikáty, které tvoří základ většiny hornin a minerálů v zemské kůře. Zeolity, aluminosilikáty s komplikovanou prostorovou sítí, se využívají pro výměnu iontů a v katalýze. Karbid křemíku SiC je extrémně tvrdý materiál používaný jako brusivo.
Chemie silanů - binárních sloučenin křemíku s vodíkem - je poměrně rozsáhlá a zajímavá. První silany byly připraveny již roku 1857 reakcí slitiny hliníku a křemíku s kyselinou chlorovodíkovou. V současnosti známe rozvětvené i lineární silany, SinH2n+2 až po n=8. Silany jsou podstatně reaktivnější než uhlovodíky. Jejich pyrolýzou vznikají polymerní látky a při vysokých teplotách pak Si a H2.
Tetrahalogenidy vytváří se všemi halogeny. SiF2 můžeme připravit průchodem fluoridu křemičitého přes křemíkové granule za teploty vyšší než 1050 °C.
Oxid křemičitý, SiO2, je pevná látka, vyskytuje se ve velkém množství modifikací. Většina jeho modifikací je sestavena z tetraedrů SiO4, které jsou propojeny přes atom kyslíku (vrchol tetraedru). Chemicky je oxid křemičitý poměrně inertní. Rozpouští se pouze v kyselině fluorovodíkové a koncentrovaných alkalických hydroxidech. Jednou z důležitých aplikací je křemenné sklo, které je chemicky i tepelně velmi odolné. Vydrží velké teplotní šoky, má totiž malý koeficient tepelné roztažnosti.
Se silikony se běžně potkáváme v domácnosti, např. ve formě těsnění u umyvadel, teplodolných laků a dalších aplikací. Podle počtu siloxanových skupin i jejich ligandů mohou být výslednými produkty jak kapalné, tak pevné látky. Ve stavebnictví jsou využívány především hydrofobní vlastnosti. Pevné polymerní sloučeniny na bázi siloxanů jsou většinou označovány jako silikonový kaučuk. Kapalné nebo polotuhé siloxany jsou známy jako silikonové oleje, popř. silikonové tuky.
Získávání křemíku probíhá v několika krocích. Nejprve se oxid křemičitý redukuje s koksem v elektrické peci. Pro výrobu vysoce čistého křemíku se používá zonální tavení nebo chemické metody, jako je Siemensův postup.
Jednou z nejstarších metod pro přípravu vysoce čistého křemíku je zonální tavení. V tzv. Siemensově postupu je z křemíku nejprve vyrobena nějaká těkavá sloučenina, obvykle trichlorsilan HSiCl3 nebo chlorid křemičitý SiCl4. Tyto plynné sloučeniny se potom vedou přes vrstvu vysoce čistého křemíku o teplotě přes 1 100 °C. Přitom dochází k jejich rozkladu a vzniklý vysoce čistý křemík se ukládá v krystalické podobě na původní křemíkovou podložku. Uvedeným postupem vzniká tzv. polykrystalický křemík. Obvyklou metodou pro jeho výrobu je řízená krystalizace z taveniny, nazývaná Czochralského proces.
Křemík má obrovské využití, setkáváme se s ním doslova na každém kroku. Čistý křemík má nezastupitelnou roli v polovodičích, křemík ve formě ferrosilicia (slitina FeSi) se využívá v ocelářském průmyslu. Křemík má také využití při výrobě skla, porcelánu, nebo cementu.
V současné době se vyrábí stovky druhů skla pro nejrůznější praktické aplikace, které se liší fyzikálními vlastnostmi i vzhledem. Základní surovinou pro výrobu skloviny je směs, nazývaná sklářský kmen o přibližném složení: 50% písek (křemen nebo oxid křemičitý), 16% soda (uhličitan sodný), 12% vápenec (uhličitan vápenatý), 18% odpadní sklo (drcené střepy). Přídavkem potaše, uhličitanu draselného se získává tabulové sklo pro výrobu oken, výkladních skříní apod.
Křemík ani jeho běžné anorganické sloučeniny nejsou toxické, jsou natolik inertní, že projdou trávicím traktem zcela neporušeny. Problémy nastávají spíše při dlouhodobém vdechování mikroskopických částeček, vznikajících při broušení za použití silikátových materiálů nebo při mechanickém opracovávání silikátových výrobků. Přísná bezpečnostní opatření ovšem musí být dodržována při průmyslové výrobě a zpracování silanů a jejich chlorovaných derivátů.
Křemík je polokov. Mají některé vlastnosti kovů a některé nekovů, většinou jsou křehké a nekujné Prvky: bor-B, křemík-Si, germanium-Ge, arsen-As, selen-Se, antimon-Sb, tellur-Te, astat-AtPolokovy se používají jako polovodiče
Křemík je díky svým unikátním fyzikálně-chemickým vlastnostem jedním z klíčových prvků naší civilizace. Nachází široké uplatnění v elektronice, stavebnictví, kosmetice i obnovitelných zdrojích energie. Přestože jeho výroba nese určité ekologické zatížení, vývoj čistších technologií a vysoká stabilita samotné látky dávají naději na udržitelnější budoucnost.
tags: #oxidy #křemíku #výskyt #v #přírodě