Krzem

Krzem
glin ← krzem → fosfor
Wygląd
srebrzystoszary
Krzem
Widmo emisyjne krzemu
Widmo emisyjne krzemu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.

krzem, Si, 14
(łac. silicium)

Grupa, okres, blok

14, 3, p

Stopień utlenienia

−IV, −II, 0, II, IV

Właściwości metaliczne

półmetal

Właściwości tlenków

amfoteryczne

Masa atomowa

28,085 ± 0,001[a][3]

Stan skupienia

stały

Gęstość

2330 kg/m³

Temperatura topnienia

1410–1414 °C[1]

Temperatura wrzenia

2355 °C[1]

Numer CAS

7440-21-3

PubChem

5461123

Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

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.

Historia odkrycia

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].

Występowanie

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.

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].

Związki

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.

Otrzymywanie

Przemysłowo krzem najczęściej otrzymuje się poprzez redukcję tlenku krzemu węglem w piecach elektrycznych[9][10]:

SiO
2 + 2C → Si + 2CO↑

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(ang.)[9][10].

W skali laboratoryjnej krzem można uzyskać za pomocą redukcji magnezem[9]:

SiO
2 + 2Mg → Si + 2MgO

Znaczenie biologiczne

Krzemionkowa okrywa okrzemki

Rola w organizmach niższych i roślinach

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].

Rola w organizmie ssaków i człowieka

W ciele człowieka występuje ok. 1–2 g krzemu; jest to trzeci, po żelazie i cynku, pierwiastek śladowy w organizmie[15]. Krzem w organizmie jest skoncentrowany głównie w tkance łącznej – aorcie, tchawicy, ścięgnach, kościach i skórze[16]. Krzem wchodzi w skład kompleksów glikozaminoglikanów z białkami, uczestnicząc w tworzeniu struktury tkanki łącznej[16].

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[16]. Wniosek ten został potwierdzony badaniami in vivo: mineralizacja kości zależała od ilości krzemu w diecie szczurów[17].

Badania in vitro wykazały, że krzem stymuluje różnicowanie i proliferację komórek kościotwórczych (osteoblastów) oraz stymuluje syntezę kolagenu typu I[18][19][20].

Krzem w żywności

Istnieją dowody na to, że spożycie krzemu jest ważne do utrzymania zdrowych skóry, kości, paznokci i włosów[21].

Badania na zwierzętach wykazały, że niedobór krzemu w diecie może powodować zaburzenia wzrostu, deformacje czaszki, obniżenie masy ciała oraz gęstości mineralnej kości[17]. Suplementacja krzemu natomiast sprzyjała wbudowaniu wapnia do tkanki kostnej, zwiększało mineralną gęstość kości oraz obniżało częstotliwość urazów[17]. 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[22].

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[23].

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[24].

Spożycie krzemu w populacji polskiej wynosi około 24 mg/dobę u kobiet i 27,7 mg/dobę u mężczyzn[25]. Jest to znacznie mniej niż w społecznościach, których jadłospis bazuje na warzywach; w Indiach i Chinach spożycie krzemu wynosi 140–204 mg/dobę[15].

Przyswajalność z żywności

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%[22]. 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:

  • monometylosilanotriol (MMST, ang. monomethylsilanetriol), inaczej zwany krzemem organicznym – jest pochodną silanolu o wzorze ogólnym CH3Si(OH)3[26]
  • kwas krzemowy stabilizowany choliną (ch-OSA, ang. choline-stabilised orthosilicic acid)[27]
  • kwas krzemowy stabilizowany waniliną (OSA-VC, ang. orthosilicic acid-vanillin complex)[28]

Wszystkie trzy rodzaje są dopuszczone do stosowania w suplementach diety.

Uwagi

  1. ↑ Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi [28,084; 28,086]. Z uwagi na zmienność abundancji izotopów pierwiastka w naturze, wartości w nawiasach klamrowych stanowią zakres wartości względnej masy atomowej dla naturalnych źródeł tego pierwiastka.

Przypisy

  1. ↑ a b Silicon, [w:] PubChem [online], United States National Library of Medicine, CID: 5461123 (ang.).
  2. ↑ Silicon (nr 267414) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-02]. (przeczytaj, jeśli nie wyświetla się prawidłowa wersja karty charakterystyki)
  3. ↑ Thomas Prohaska i inni, Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 94 (5), 2021, s. 573–600, DOI: 10.1515/pac-2019-0603 (ang.).
  4. ↑ N.N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemistry of the elements. Wyd. 2. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997, s. 328–367 (rozdział 9 Silicon). ISBN 978-0-7506-3365-9.
  5. ↑ Silicon: compounds information. Webelements.com. [dostęp 2016-07-09].
  6. ↑ Ignacy Eichstaedt: Księga pierwiastków. Warszawa: Wiedza Powszechna, 1973, s. 158. OCLC 839118859.
  7. ↑ a b Tadeusz Lityński, Halina Jurkowska: Żyzność gleby i odżywianie się roślin. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1982, s. 420–429. ISBN 83-01-02887-4.
  8. ↑ Aleksandra Macioszczyk: Hydrogeochemia. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1987, s. 174–177, 184. ISBN 83-220-0298-X.
  9. ↑ a b c Adam Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, wyd. 5, t. 2, Warszawa: PWN, 2002, s. 721–723, ISBN 83-01-13654-5.
  10. ↑ a b C.R. Hammond, The elements. Silicon, [w:] CRC Handbook of Chemistry and Physics, David R. Lide (red.), wyd. 88, Boca Raton: CRC Press, 2007, s. 4-33, ISBN 978-0-8493-0488-0 (ang.).
  11. ↑ Atta-ur-Rahman (red.), Studies in natural products chemistry. Vol. 6, Amsterdam: Elsevier, 1988, ISBN 978-0-444-42970-4, OCLC 17873728.
  12. ↑ Christopher Exley, Silicon in life: A bioinorganic solution to bioorganic essentiality, „Journal of Inorganic Biochemistry”, 69 (3), 1998, s. 139–144, DOI: 10.1016/S0162-0134(97)10010-1 (ang.).
  13. ↑ Emanuel Epstein, Silicon, „Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology”, 50 (1), 1999, s. 641–664, DOI: 10.1146/annurev.arplant.50.1.641 (ang.).
  14. ↑ Sang Gyu Kim i inni, Silicon-Induced Cell Wall Fortification of Rice Leaves: A Possible Cellular Mechanism of Enhanced Host Resistance to Blast, „Phytopathology”, 92 (10), 2002, s. 1095–1103, DOI: 10.1094/phyto.2002.92.10.1095.
  15. ↑ a b M. Arora, E. Arora, The Promise of Silicon: bone regeneration and increased bone density, „Journal of Arthroscopy and Joint Surgery”, 4 (3), 2017, s. 103–105, DOI: 10.1016/j.jajs.2017.10.003 (ang.).
  16. ↑ a b c Edith Muriel Carlisle, Silicon as an Essential Trace Element in Animal Nutrition, Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd., 2007, s. 123–139, DOI: 10.1002/9780470513323.ch8, ISBN 978-0-470-51332-3.
  17. ↑ a b c Luigi Fabrizio Rodella i inni, A review of the effects of dietary silicon intake on bone homeostasis and regeneration, „The Journal of Nutrition, Health & Aging”, 18 (9), 2014, s. 820–826, DOI: 10.1007/s12603-014-0555-8 (ang.).
  18. ↑ D.M Reffitt i inni, Orthosilicic acid stimulates collagen type 1 synthesis and osteoblastic differentiation in human osteoblast-like cells in vitro, „Bone”, 32 (2), 2003, s. 127–135, DOI: 10.1016/S8756-3282(02)00950-X (ang.).
  19. ↑ Eun-Jin Kim i inni, Effects of Silicon on Osteoblast Activity and Bone Mineralization of MC3T3-E1 Cells, „Biological Trace Element Research”, 152 (1), 2013, s. 105–112, DOI: 10.1007/s12011-012-9593-4 (ang.).
  20. ↑ Meng Dong i inni, Biological Silicon Stimulates Collagen Type 1 and Osteocalcin Synthesis in Human Osteoblast-Like Cells Through the BMP-2/Smad/RUNX2 Signaling Pathway, „Biological Trace Element Research”, 173 (2), 2016, s. 306–315, DOI: 10.1007/s12011-016-0686-3 (ang.).
  21. ↑ Keith R. Martin, Silicon: The Health Benefits of a Metalloid, [w:] Astrid Sigel, Helmut Sigel, Roland K.O. Sigel (red.), Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases, t. 13, Dordrecht: Springer Netherlands, 2013, s. 451–473, DOI: 10.1007/978-94-007-7500-8_14, ISBN 978-94-007-7499-5 (ang.).
  22. ↑ a b Forrest H. Nielsen, Update on the possible nutritional importance of silicon, „Journal of Trace Elements in Medicine and Biology”, 2014, S0946672X14001308, DOI: 10.1016/j.jtemb.2014.06.025 (ang.).
  23. ↑ Ravin Jugdaohsingh i inni, Dietary Silicon Intake Is Positively Associated With Bone Mineral Density in Men and Premenopausal Women of the Framingham Offspring Cohort, „Journal of Bone and Mineral Research”, 19 (2), 2003, s. 297–307, DOI: 10.1359/JBMR.0301225 (ang.).
  24. ↑ Tim D Spector i inni, Choline-stabilized orthosilicic acid supplementation as an adjunct to Calcium/Vitamin D3 stimulates markers of bone formation in osteopenic females: a randomized, placebo-controlled trial, „BMC Musculoskeletal Disorders”, 9 (1), 2008, s. 85, DOI: 10.1186/1471-2474-9-85, PMID: 18547426, PMCID: PMC2442067 (ang.).
  25. ↑ Anna Prescha, Katarzyna Zabłocka-Słowińska, Halina Grajeta, Dietary Silicon and Its Impact on Plasma Silicon Levels in the Polish Population, „Nutrients”, 11 (5), 2019, s. 980, DOI: 10.3390/nu11050980, PMID: 31035649, PMCID: PMC6567281 (ang.).
  26. ↑ Fernando Aguilar i inni, Safety of organic silicon (monomethylsilanetriol, MMST) as a novel food ingredient for use as a source of silicon in food supplements and bioavailability of orthosilicic acid from the source, „EFSA Journal”, 14 (4), 2016, s. 4436, DOI: 10.2903/j.efsa.2016.4436 (ang.).
  27. ↑ F. Aguilar i inni, Choline-stabilised orthosilicic acid added for nutritional purposes to food supplements, „EFSA Journal”, 7 (2), 2009, s. 948, DOI: 10.2903/j.efsa.2009.948 [dostęp 2020-06-05] (ang.).
  28. ↑ Maged Younes i inni, Safety of orthosilicic acid-vanillin complex (OSA-VC) as a novel food ingredient to be used in food supplements as a source of silicon and bioavailability of silicon from the source, „EFSA Journal”, 16 (1), 2018, e05086, DOI: 10.2903/j.efsa.2018.5086 (ang.).
Układ okresowy pierwiastków
12 3[i]456789101112131415161718
1H He
2LiBe BCNOFNe
3NaMg AlSiPSClAr
4KCa ScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
5RbSr YZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
6CsBa LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
7FrRa AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
8UueUbn✱ 
 ✱UbuUbbUbtUbqUbpUbhUbs...[ii] 
Metale alkaliczneMetale ziem
alkalicznych		LantanowceAktynowceMetale przejścioweMetalePółmetaleNiemetaleHalogenyGazy szlachetneWłaściwości
nieznane
  1. ↑ Alternatywnie do skandowców zalicza się często nie lutet i lorens, lecz lantan, aktyn oraz hipotetyczny unbiun.
  2. ↑ Budowa 8. okresu jest przedmiotem badań teoretycznych i dokładne umiejscowienie pierwiastków tego okresu w ramach układu okresowego jest niepewne.

Media użyte na tej stronie

NFPA 704.svg
The "fire diamond" as defined by NFPA 704. It is a blank template, so as to facilitate populating it using CSS.
Diatom 3.png
Autor: George Swann, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Diatom
SiliconCroda.jpg
Close up photo of a piece of purified silicon.
Silicon Spectra.jpg
Si spectra, 600lpmm
Cubic-face-centered.svg
Autor: Original PNGs by Daniel Mayer and DrBob, traced in Inkscape by User:Stannered, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Face-centered cubic crystal structure
GHS-pictogram-flamme.svg
Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) pictogram for flammable substances