Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (33/43) · 8:22

Křemík - nejlepší přítel počítače Co je určitě dobré vědět o křemíku? Je to tak významný prvek, jelikož bez něj bychom neměli počítače, internet ani mobily.

Lidé v Americe mají křemík spojený především se Silicon Valley. (pozn. křemík anglicky je silicon) Zde se zrodily moderní počítačové vědy a sny se zde stávají skutečností. Zde se výjimeční dvacátníci stali milionáři. My chemici však známe křemík v první řadě jako nejhojnější prvek zemské kůry. Oxidy křemíku, známé jako křemičitany či silikáty, tvoří písek, jež pokrývá nejen všechny pouště a pláže, ale i dno většiny oceánů. Silikáty jsou přítomné i v křemeni a jílu a najdeme je i v živých organismech, například tvoří žahavé chlupy u kopřiv. A tvoří i leštící složku zubních past. Jsou všude! A díky jejich neobyčejně úžasným chemickým vlastnostem, tvoří krystaly elementárního křemíku základ polovodičů. Tyto krystaly mohou být sdruženy do diod a tranzistorů, které fungují jako chemické přepínače, které tvoří binární kód a umožňují tak fungování počítačů. Je úchvatné, že jen pár malých rozdílů v uspořádání atomů dovoluje prvku ze dna oceánů, aby umožnil fungování počítače, na kterém mě sledujete. Stejně jako u uhlíku, vše záleží na systému, který tyto atomy tvoří. Jak jednou pochopíte tuto část chemie, pochopíte i proč je sklo sklem a jíl jílem. Pochopíte, co chemici míní, když mluví o "dopingu". A dojde vám, proč se údolí v Kalifornii jmenuje po tomto úžasném prvku. Rychlokurz chemie - pevné látky na bázi křemíku Tenhle písek, sklo a křemen jsou vlastně jedna a ta samá věc, pouze s trochu jinak uspořádanými atomy. Chemický název sloučeniny je oxid křemičitý, složený z křemíku a kyslíku v poměru 1:2. Proto říkáme, že chemický vzorec oxidu křemičitého je SiO2. I přesto, že vlastně neexistuje jako samostatná molekula. Stejně jako tuha a diamant, formy uhlíku, jsou i křemík a jeho oxidy pevné látky. A stejně jako tuha a diamant, liší se tyto různé formy pouze ve vazbách. Forma oxidu křemíku, jež tvoří písek, je úplně stejná jako forma, jež tvoří křemen. Oxid křemičitý v písku, to jsou vlastně malé kousky křemene. Struktura SiO2 spočívá v tetraedrálním uspořádání atomů Si vázaných na 4 atomy O. Ano, na čtyři, nikoliv dva. Fígl je v tom, že každý kyslík může vytvořit dvě vazby, takže může vázat další atom křemíku na opačné straně. Proto každý křemík je vázán na 4 kyslíky, zatímco každý kyslík je vázán na 2 křemíky Si2O4, zjednodušeně SiO2, takto vznikl chemický vzorec. Jak se tato molekula staví na sebe, může tvořit různé krystalové struktury v závislosti na orientaci čtyřstěnů (tetraedrů). To jsou ty různé formy křemene, jílu a dalších minerálů. Mohou tvořit dvojrozměrné formy (vrstvy), či trojrozměrné krystaly. A každá forma má typické vlastnosti chování. Pevnost keramiky a dalších jílů spočívá v dvojrozměrném uspořádání. Když je jíl vlhký, vrstvy oxidu křemíku se po sobě pohybují a jak uschne, ocitnou se vrstvy blíž u sebe a vytvoří pevnou strukturu. Výsledná látka je velmi tvrdá a žáruvzdorná. Díky těmto vlastnostem lze keramiku využít na tisíc způsobů, které jsi asi vyzkoušel už jako dítě, když jsi dostal do ruky hrnčířskou hlínu. Trojrozměrné silikáty mohou tvořit také mnoho tvarů. I když ne všechny jsou pravé krystaly. Sklo je důležitý příklad trojrozměrné křemičité amorfní pevné látky. Stojí za to ho zmínit, i když to není krystal, protože jeho molekulová struktura je velmi podobná křemenu, jen ne tak uspořádaná. Uspořádání Si a O v křemeni je velmi pravidelné a rigidní. Molekulární struktura skla se naproti tomu zdá, jako když Matka Příroda byla při skládání krystalu křemene opilá. Atomy jsou spojeny náhodně a vytváří strukturu s nedefinovaným uspořádáním. Proto může být z roztaveného skla vyroben jakýkoliv tvar, kdežto křemen si zachovává typický tvar krystalu. Protože sklo je amorfní látka s vazbami různé pevnosti, nemá přesný bod tání. Naopak, po zahřátí měkne a je jako med, jen je fakt horké a ani trochu sladké. Křemen tohle nedělá. Jeho bod tání je mnohem vyšší, při přesné teplotě a neexistují žádné mezistavy. Jako všechny silikáty, křemen, sklo i keramika jsou elektrické izolanty, protože nemají žádné volné elektrony, které by mohly přenášet náboj. Atomy mají 4 valenční elektrony tvořící 4 vazby, všechny elektrony jsou tím využité. Proto jsou tyto materiály hojně užívány jako elektrické izolanty. Keramika je např. užívána jako nosič drátů elektrického vedení a v kondenzátorech, což jsou vrstvy elektrických vodičů oddělené vrtsvami izolantů. Všechny pevné látky na bázi Si, o nichž jsem mluvil dosud, obsahují atomy Si a O. Krystaly z křemíku jsou, ve své čisté podobě, izolanty, mohou však vést elektřinu, po procesu zvaném doping. Ne, nejedná se o vtip o Lanci Armstrongovi. Jistá obdoba tam ale je. Je to jako když si atlet ve skvělé kondici píchne spoustu divných cizorodých látek. Dopování křemíku spočívá v začlenění nečistot do krystalu, což poruší rovnováhu elektronů. Můžeme toho dosáhnout dvěma způsoby. Jestliže je nečistotou prvek s více elektrony než má křemík, jako fosfor či arsen, vzniklý krystal bude mít nadbytek elektronů. Jestliže je nečistotou naopak prvek s méně elektrony, jako hliník či bor, vznikají díry, kde oproti normální struktuře elektrony chybí. Dopované křemíkové krystaly jsou známé jako pevné polovodiče. Typ dopovaný prvky dodávajícími elektrony nazýváme N, nebo také negativní polovodič - kvůli výslednému náboji z elektronů navíc. S polovodiči typu N, náboj je nesen nadbytečnými elektrony a protože není žádné místo pro jejich včlenění do struktury, pohybují se v krystalu volně. Podobně krystalům dopovaným prvky, které vytváří deficit elektronů, se říká typ P, nebo pozitivní polovodiče, protože mají kladnější náboj, než má samotný křemík. Polovodiče typu P pracují trochu jinak. Jelikož mají tu a tam prázdné místo, Elektrony, které jsou jinak součástí atomů křemíku, mohou skákat z atomu na atom. Každý skok vyplní díru a vytváří novou, což umožňuje skok dalšího elektronu. Krystaly typu N i P jsou elektrické vodiče, proč jim tedy říkáme polovodiče? Skvělá otázka! Důvod, proč jsou polovodiče tak užitečné je, že mají úžasnou schopnost vést elektřinu za určitých podmínek, ale odmítají ji vést za jiných podmínek. Takže ano, jsou to částečné vodiče, neboli polovodiče. Tyto vlastnosti jsou nejužitečnějšími, když jsou P a N polovodiče umístěny vedle sebe a tvoří diodu. Jelikož mají opačný náboj, volné elektrony v typu N jsou vábeny do typu P a putují do jeho děr. A když do tohoto uspořádání vložíme elektrické pole tak, že typ N je připojen na kladný konec, také zvaný anoda a typ P je připojen na záporný konec, též katodu, všechny volné elektrony jsou vtaženy do typu N. Tyto volné elektrony jsou vábeny pryč od děr, nikoliv do nich, takže je další pohyb blokován a diodou nebude procházet už žádný proud. To se nazývá zapojení v takzvaném závěrném směru. Pouhým otočením polarity toku elektronů však můžeme vyvolat opačnou situaci. Když je typ N připojen k zápornému konci a typ P ke kladnému, elektrony jsou přitahovány do typu P, což opět vytváří elektrický vodič. Tomuto zapojení se říká propustný směr a umožňuje vedení proudu diodou. Skutečnost, že toto vedení je možné pouze v jednom směru, je neskutečně užitečné! Znáš střídavý a stejnosměrný proud? Anglicky AC/DC, jako ta rocková skupina? AC je střídavý proud, kdy proud elektronů střídá směr. U DC, stejnosměrného proudu, je to tak, jak to zní - elektrony jdou přímo tam, kam měly namířeno, bez obracení směru. A jednoduché uspořádání diod může sloužit k přeměně AC na DC, jako u zdroje mého PC. Polovodiče typu P a N mohou být také kombinovány v sadě po třech. Těm říkáme tranzistory a ty naprosto změnily svět elektroniky a vlastně celý svět, od té doby, co byly v roce 1947 vynalezeny. Jednou z hlavních funkcí tranzistoru je zapínat a vypínat elektrický signál. Jednoduše když proud může procházet v propustném směru, spínač je zapnutý. Když proud klesne pod minimum, spínač je vypnutý. Toto přepínání je základem binárního kódu. Jedničky a nuly představují zapnutý a vypnutý stav tranzistoru. A tento kód je podstata toho, jak uchováváme a zpracováváme informace pomocí počítačových čipů, což jsou jen sady tranzistorů pracujících dohromady. Takové malé jednoduché zařízení převážně z jediného prvku a přitom změnilo celý svět. Tak dostalo, přátelé, Silicon valley své jméno a nám tak pevné křemíkové látky umožňují vůbec vést tuhle konverzaci. Díky, žes využil všechny své malé tranzistory ke sledování tohoto dílu rychlokurzu chemie. Jestli jsi dával pozor, dozvěděl ses, že písek a sklo a keramika a PC čipy
video