Křemík: Porovnání verzí

Aktuální verze z 19. 11. 2025, 03:42

Rozbalit box

Obsah boxu

Křemík (chemická značka Si, latinsky Silicium) je polokovový chemický prvek, který je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem v zemské kůře. V čisté podobě je to tvrdá, tmavě šedá krystalická látka s kovovým leskem. Díky svým jedinečným vlastnostem polovodiče se stal naprosto klíčovým materiálem pro moderní elektroniku a počítačový průmysl, což vedlo k pojmenování technologického centra Silicon Valley v Kalifornii.

Křemík se v přírodě téměř nikdy nevyskytuje v čisté, elementární formě. Nejčastěji je vázán s kyslíkem v oxidu křemičitém (SiO₂), jehož nejznámější formou je křemen, a v křemičitanech (silikátech), které tvoří základ většiny hornin, písků a jílů. Využití křemíku je mimořádně široké – od výroby skla, cementu a keramiky přes slitiny a silikony až po vysoce čisté monokrystaly pro výrobu integrovaných obvodů a solárních panelů.

⏳ Historie

Ačkoli sloučeniny křemíku, jako je pazourek nebo křemen, využívalo lidstvo již od doby kamenné na výrobu nástrojů a zbraní, a sklo na bázi oxidu křemičitého bylo vyráběno již ve starověkém Egyptě a Fénicii, izolace samotného prvku byla velkou výzvou. První pokusy o izolaci křemíku provedl v roce 1811 francouzský chemik Joseph Louis Gay-Lussac a Louis Jacques Thénard, kteří zahříváním draslíku s fluoridem křemičitým pravděpodobně připravili amorfní křemík, ale neidentifikovali ho jako nový prvek.

Za objevitele křemíku je obecně považován švédský chemik Jöns Jacob Berzelius, který v roce 1824 úspěšně izoloval a popsal čistý amorfní křemík. Podařilo se mu to opakovaným promýváním produktu reakce fluorokřemičitanu draselného s roztaveným draslíkem. Svůj objev nazval silicium, což je odvozeno z latinského slova silex (nebo silicis), které znamená "tvrdý kámen" nebo "pazourek".

Krystalickou formu křemíku připravil až v roce 1854 francouzský chemik Henri Étienne Sainte-Claire Deville metodou elektrolýzy taveniny chloridu sodného a fluorohlinitanu sodného s příměsí křemíku. Skutečný význam křemíku však vzrostl až ve 20. století s rozvojem elektroniky a objevem jeho polovodičových vlastností, které umožnily vznik tranzistoru a následně i integrovaných obvodů.

🌍 Výskyt v přírodě

Křemík je druhým nejhojnějším prvkem v zemské kůře, kde tvoří přibližně 27,7 % její hmotnosti. Hojněji je zastoupen pouze kyslík. Vzhledem ke své vysoké afinitě ke kyslíku se křemík v přírodě nevyskytuje v ryzí podobě, ale výhradně ve formě sloučenin.

Nejběžnější sloučeninou je oxid křemičitý (SiO₂), který existuje v mnoha krystalických i amorfních formách. Nejznámější krystalickou formou je křemen, který je součástí mnoha hornin jako žula nebo pískovec. Mezi jeho barevné odrůdy patří drahé kameny jako ametyst, růženín, citrín nebo záhněda. Dalšími formami SiO₂ jsou například křišťál, opál (amorfní hydratovaná forma) a chalcedon.

Druhou rozsáhlou skupinou jsou křemičitany (silikáty), které tvoří více než 90 % hornin zemské kůry. Jedná se o soli kyseliny křemičité, které obsahují komplexní křemíko-kyslíkaté anionty. Mezi nejdůležitější silikátové minerály patří živce, slídy, amfiboly, pyroxeny a olivy. Tyto minerály jsou základními stavebními kameny vyvřelých, přeměněných i sedimentárních hornin. Písek, jíl a hlína jsou z velké části tvořeny právě zvětralými silikátovými minerály.

⚙️ Výroba

Výroba křemíku probíhá v několika krocích v závislosti na požadované čistotě konečného produktu. Základní surovinou je vysoce čistý oxid křemičitý, nejčastěji ve formě křemenného písku nebo drceného křemence.

1. Výroba hutního křemíku (Metallurgical-Grade Silicon - MGS): Tento proces probíhá v elektrické obloukové peci při teplotách kolem 1900 °C. Oxid křemičitý je redukován uhlíkem (ve formě koksu, dřevěného uhlí nebo štěpky). Reakce probíhá podle rovnice: SiO₂ + 2C → Si + 2CO. Výsledkem je křemík o čistotě 98–99 %, který se používá především v metalurgii, například pro výrobu hliníkových slitin (silumin) nebo jako deoxidační činidlo při výrobě oceli. Největším světovým producentem hutního křemíku je s velkým náskokem Čína.

2. Výroba solárního křemíku (Solar-Grade Silicon - SoG-Si): Pro výrobu solárních panelů je vyžadována vyšší čistota (99,9999 %, označováno jako "6N"). Hutní křemík je nejprve převeden na plynnou sloučeninu, například trichlorsilan (SiHCl₃), pomocí reakce s bezvodým chlorovodíkem. Tento plyn je následně rektifikací a destilací vyčištěn od nečistot.

3. Výroba elektronického křemíku (Electronic-Grade Silicon - EG-Si): Pro výrobu integrovaných obvodů a dalších polovodičových součástek je nutná extrémně vysoká čistota, často přesahující 99,9999999 % ("9N") a více. Nejběžnější metodou pro získání takto čistého křemíku je Siemensův proces, kde se vyčištěný trichlorsilan tepelně rozkládá na povrchu tenkých, elektricky zahřátých křemíkových tyčí. Výsledkem je vysoce čistý polykrystalický křemík (polysilikon). Z tohoto polysilikonu se následně pěstují velké monokrystaly, nejčastěji Czochralského metodou, které se řežou na tenké plátky, tzv. wafery, jež jsou základem pro výrobu mikročipů.

💡 Využití

Křemík a jeho sloučeniny mají mimořádně široké uplatnění napříč všemi průmyslovými odvětvími.

💻 Elektronika a polovodiče

Nejznámější a technologicky nejvýznamnější je využití vysoce čistého monokrystalického křemíku jako základního materiálu pro polovodičový průmysl. Jeho schopnost měnit elektrickou vodivost pomocí dopování (přidávání malého množství jiných prvků, např. boru nebo fosforu) umožňuje výrobu tranzistorů, diod a dalších součástek, které tvoří základ integrovaných obvodů (mikročipů). Tyto čipy jsou srdcem všech moderních elektronických zařízení, jako jsou počítače, chytré telefony, televize a řídicí systémy v automobilech a průmyslu. Společnosti jako TSMC, Samsung a Intel jsou lídry ve výrobě pokročilých křemíkových čipů.

☀️ Fotovoltaika

Křemík je dominantním materiálem pro výrobu solárních článků, které přeměňují sluneční světlo přímo na elektrickou energii. Většina současných solárních panelů na trhu (přes 95 %) je vyrobena z krystalického křemíku, ať už monokrystalického (vyšší účinnost) nebo polykrystalického (nižší výrobní náklady). Díky neustálému technologickému pokroku, například s technologiemi PERC, TOPCon nebo heterojunction, účinnost komerčně dostupných křemíkových panelů v roce 2025 přesahuje 23 %. Fotovoltaika je jedním z nejrychleji rostoucích sektorů obnovitelné energie.

🔩 Slitiny a metalurgie

Hutní křemík je důležitou přísadou do slitin. Nejvýznamnější je jeho použití ve slitinách hliníku (tzv. siluminy), kde zlepšuje licí vlastnosti, pevnost a odolnost proti korozi. Tyto slitiny se hojně využívají v automobilovém a leteckém průmyslu na výrobu bloků motorů, pístů a dalších odlitků. Slitina železa a křemíku, známá jako ferosilicium, se používá při výrobě oceli jako deoxidační činidlo (odstraňuje kyslík z taveniny) a k legování.

🧴 Silikony

Silikony jsou syntetické polymery, jejichž kostra je tvořena střídajícími se atomy křemíku a kyslíku (-Si-O-Si-O-). Na atomy křemíku jsou navázány organické skupiny. Díky této struktuře mají silikony unikátní vlastnosti: jsou tepelně stabilní v širokém rozsahu teplot, odolné vůči UV záření a oxidaci, vodoodpudivé a biokompatibilní. Využívají se jako těsnicí tmely (v koupelnách, na oknech), maziva, hydraulické kapaliny, nepřilnavé povrchy na kuchyňském nádobí, v kosmetice a v lékařství (např. prsní implantáty, kontaktní čočky).

🏺 Sklo, keramika a stavebnictví

Oxid křemičitý (písek) je základní surovinou pro výrobu skla. Tavením písku s přísadami jako uhličitan sodný (soda) a uhličitan vápenatý (vápenec) vzniká běžné sodnovápenaté sklo používané na okna a lahve. Přidáním dalších oxidů vznikají speciální skla, například borosilikátové sklo (odolné vůči teplotním šokům) nebo olovnatý křišťál. Křemík je také klíčovou složkou cementu (ve formě křemičitanů vápenatých) a keramiky, cihel a porcelánu.

🧬 Biologický význam

Ačkoli křemík není považován za esenciální prvek pro člověka v takové míře jako například železo nebo zinek, hraje důležitou roli v některých biologických procesech. V lidském těle se podílí na syntéze kolagenu a elastinu, což jsou klíčové bílkoviny pro zdraví kostí, chrupavek, kůže, vlasů a nehtů. Jeho příjem je zajištěn především z rostlinné stravy, jako jsou celozrnné obiloviny, banány nebo zelené fazolky.

Pro některé organismy je křemík naprosto nezbytný. Nejznámějším příkladem jsou rozsivky (Diatomeae), jednobuněčné řasy, které si z oxidu křemičitého rozpuštěného ve vodě budují své složitě strukturované schránky. Po odumření těchto organismů se jejich schránky usazují na dně vodních ploch a tvoří horninu zvanou křemelina (diatomit), která se využívá jako filtrační materiál nebo jemné brusivo. Křemík je také důležitý pro stavbu těl některých rostlin, například trav, přesliček a bambusu, kterým dodává pevnost a odolnost.

⚛️ Pro laiky

Představte si křemík jako neuvěřitelně všestrannou stavební kostku ze světa prvků. V přírodě se nejraději kamarádí s kyslíkem a společně tvoří něco, co známe všichni – písek. Z tohoto písku pak umíme vyrobit sklo do oken nebo na displej telefonu.

Když ale křemík pečlivě očistíme od všech ostatních prvků, až je téměř stoprocentně čistý, stane se z něj kouzelný materiál. Není to ani správný kov, který dobře vede elektřinu, ani izolant jako guma, která ji nevede vůbec. Je to polovodič, což znamená, že se umí rozhodnout, kdy elektřinu pustí a kdy ne. Této vlastnosti jsme využili a naučili se z něj vyrábět miniaturní přepínače – tranzistory. Když jich na malý kousek křemíku naskládáme miliardy, vznikne mikročip, mozek každého počítače nebo mobilu.

Křemík má ještě jednu tvář. Když jeho atomy pospojujeme do dlouhých řetězců s kyslíkem a dalšími prvky, vzniknou silikony. To je ten gumový, ohebný a voděodolný materiál, kterým se utěsňují spáry v koupelně nebo z kterého se vyrábějí formy na pečení. Takže ten samý základní prvek, který tvoří tvrdý písek a mozek vašeho počítače, může být i měkký a pružný.

📈 Trh a ekonomika

Globální trh s křemíkem je segmentován podle čistoty a konečného využití. Celosvětová produkce hutního křemíku dosahuje milionů tun ročně, přičemž Čína dominuje trhu s podílem přesahujícím 70 %. Tento křemík je komoditou, jejíž cena je ovlivněna poptávkou v ocelářském a hliníkářském průmyslu a cenami energií, protože jeho výroba je energeticky velmi náročná.

Trh s vysoce čistým polysilikonem, který je klíčový pro fotovoltaický a elektronický průmysl, je strategicky mnohem citlivější. Kapacita výroby je soustředěna do menšího počtu zemí, opět s dominantním postavením Číny. V posledních letech se dodavatelský řetězec polysilikonu stal předmětem geopolitického napětí, zejména mezi Čínou a USA, což vede k snahám o diverzifikaci výroby a budování nových továren v Evropě a Severní Americe.

Cena polysilikonu je volatilní a reaguje na globální poptávku po solárních panelech a polovodičích. Očekává se, že s pokračujícím růstem sektoru obnovitelných zdrojů a digitalizace poroste poptávka po všech formách křemíku i v následujících letech. Investice do výzkumu a vývoje nových, méně energeticky náročných metod výroby vysoce čistého křemíku jsou klíčové pro budoucí udržitelnost tohoto odvětví.

Zdroje