Priče o elementima #15: Silicij – čudni brat ugljika

Silicij je svima poznat kemijski element. Svoju planetarnu popularnost ne zahvaljuje međutim kemiji nego fizici, točnije elektrotehnici. Svi su naime čuli na Silicijsku dolinu (Silicon Valley), mjesto razvoja hardvera i solfvera, mjesto gdje se rađaju nova digitalna računala, a njih opet ne bi bilo bez poluvodičkih elemenata čiju osnovu čini upravo silicij. Prvi takav element bila je kristalna dioda ili trioda, tranzistor. Dobro se sjećam toga, sjećam se vremena kada su se pojavili prvi radio-aparati koji su umjesto elektronskih cijevi („elektronki“) imali tranzistore, po kojima su i dobili ime. Što je danas mobitel onda je bio tranzistor. Svatko ga je htio imati, svatko je želio imati radio-aparat na baterije koji se nosi u ruci ili u torbici. Na plaži je iz tranzistora svake vrste treštala čudna kakofonija popularnih šlagera, od „Da ti kupim mali motorin…“ do „Opatijo bajna, biseru Jadranskog mora… „ i „O, o, o, Andrija, i kraj tvog imena super momak si ti“ po kojem je dobio ime veliki stambeni neboder u Zagrebu (Super Andrija). U nedjelju su se pak na klupama u parku mogli vidjeti osamljeni muškarci koji su slušali prijenos nogometne utakmice te ih je svako malo netko od šetača pitao: „Koji je rezultat?“

Eh, vremena davna, vremena prošla. Danas živimo u doba kompjutora i mobitela, dapače smartfona i umjetne inteligencije, no njih, vremena nova i vremena stara povezuje isti kemijski element – silicij. Kakav je to element?

Silicij je 14. stanovnik periodnog sustava, polumetal iz 14. ili IVB skupine periodnog sustava, koji se nalazi odmah ispod ugljika, a iznad germanija, kositra i olova. Neka vrsta ugljika, rekli bismo, ali nije, jer koliko mu sliči toliko se od njega razlikuje. Talište mu iznosi 1410 ^oC, što je oko dvije tisuće stupnjeva niže od tališta ugljika (3500 ^oC), a gustoća mu je 2,33 g cm^-3, što je pak za 1,2 g cm^-3 manje od gustoće dijamanta (3,51 g cm^-3). Zašto baš dijamanta (a ne grafita)? Zato što silicij ima kristalnu strukturu dijamanta, atomi su mu povezani kovalentnim vezama u tetraedarsku rešetku. Mnogo je mekši od dijamanta, a usto mu ni bojom ne sliči jer je siv. Ovo što sam sada rekao ima dalekosežne posljedice po njegova kemijska svojstva – no o tome ćemo kasnije.

Silicij nije element poznat od davnine, u čistom je stanju priređen tek početkom 19. stoljeća. Tada su naime, 1809. godine, francuski kemičari Gay-Lussac i Thenard priredili elementarni silicij reakcijom silcijeva fluorida s kalijem (SiF₄ + 4 K → Si + 4 KF). Berzelius ga je smatrao metalom, a Davy nemetalom sličnom ugljiku. Tko je bio u pravu? Bili su u pravu obojica jer se danas silicij smatra polumetalom, pa opet – rekao bih – nije u pravu nijedan (a laže i tablica periodnog sustava elemenata) jer ne postoje metali i nemetali, postoje samo kemijski elementi s više ili manje izraženim metalnim i nemetalnim svojstvima.

No pustimo sad filozofiju! Unatoč što je silicij kao element otkriven 1809. godine, čovjeku je poznat još od kamenog doba. Nije mu, istina, bio poznat silicij nego njegovi spojevi. Većina stijena se sastoji od silikatnih minerala (najčešći mineral je kremen, SiO₂), minerali gline su alumosilikati, od gline se peče keramika, a od kremenog pijeska tali staklo. Od gline i vapnenca se proizvodi cement, pa se stoga ne samo cement nego i beton sastoji od silikata. Okrenem li se oko sebe vidim samo silikate: preda mnom je zid, a iznad mene strop od cigle, dakle od silikata, gledam kroz zatvoren prozor, dakle kroz silikate. Pišem ovaj članak na laptopu; silikate doduše ne vidim, ali ne bih mogao pisati da se u njemu ne nalaze čipovi, integrirani krugovi na bazi silicija.

Krenemo li pak u prirodu, opet ista stvar. Granit i bazalt silikatne su stijene, što nije čudno jer je silicij nakon kisika najzastupljeniji kemijski element u Zemljinoj kori (25,8 %), a krenemo li u svemir vidjet ćemo da se asteroidi sastoje od silikata i željeza, točnije željezno-nikalnih slitina. Gledajući malo šire, vidimo da se cijela priroda sastoji od dva carstva: carstvo ugljika, koje čini živu prirodu, i carstvo silicija koje čini mrtvu prirodu. Ta su dva carstva u vječnom ratu, u vječnom sukobu. Ugljikov dioksid iz vode i zraka rastače silikantne stijene, dajući karbonate, a onda karbonatne stijene tonući u magmu stvaraju nove silikate dok se ugljikov dioksid vraća kroz vulkanski krater natrag u atmosferu. Kad to pročitamo prođe nas volja da se pozabavimo više fantastičnim vizijama negoli znanstvenim teorijama da bi se život mogao temeljiti na siliciju umjesto na ugljiku.

Bit ću posve jasan. Ugljik stvara lance (i druge strukture) vežući se sam za sebe: osnova organske kemije je veza C-C. Toga u kemiji silikata nema. Iako silikati ne zaostaju složenošću za organskim spojevima, bitna je razlika što osnovu silikata ne čini veza Si-Si nego veza Si-O-Si –atomi silicija uvijek se vežu preko atoma kisika. No reći će neki (među kojima je i Carl Sagan) da bi mogli postojati kemijski spojevi u kojima bi atomi ugljika bili naprosto zamijenjeni atomima silicija. Ne treba nam ići dalje nego usporediti svojstva elementarnog silicija i ugljika, dijamanta. Iz te usporedbe (niže talište, manja tvrdoća) lako ćemo doći do zaključka da je veza Si-Si (koju nalazimo u siliciju) znatno slabija od veze C-C, koju nalazimo u dijamantu. To se vidi i u usporedbi silikovodika (silana) s ugljikovodicima (alkanima). Dok broj ugljikovih atoma (skupina CH₂) u alkanima može dosezati mnogo tisuća (parafin, polietilen), silani se mogu nabrojati na prste. To je zato jer su vrlo nestabilni: monosilan (SiH₄) se raspada na silicij i vodik pri temperaturi od 450 ^oC, a pentasilan (Si₅H₁₂) i heksasilan (Si₆H₁₄) već pri sobnoj temperaturi. Svi silani reagiraju s vodom dajući silicijev dioksid. U čemu bi onda živjeli silicijski organizmi?

Sve je to bez veze, a ne pomaže ni svjetska popularnost Carla Sagana koji je bio glavni zagovornik takvih teorije (borac protiv „ugljikova šovinizma“) – bilo bi mu bolje da je bolje učio kemiju. Kemija se silicija temelji prije svega na silicijevom dioksidu, oksidu koji se pojavljuje u mnoštvu oblika, od velikih kristala (kremen sviju boja i oblika te u pet kristalnih modifikacija) i malih kristala (ahat, oniks, kalcedon, opal) te u obliku gela (silikagel). Reakcijom baza s kremenom nastaju silikati (taljenjem SiO₂ sa sodom dobiva se vodeno staklo), no SiO₂ i silikati reagiraju i s onime s čime ne bismo mislili da reagiraju. Reakcijom SiO₂ s fluorovodičnom kiselinom (HF) nastaje plin, silicijev fluorid (SiF₄), iz koga je, već smo rekli, izlučen elementarni silicij.

U reakciji s fluorovodičnom kiselinom silicij se ponaša kao metal, npr. kao kalcij (CaO + 2HF → CaF₂ + H₂O), ali silicij može reagirati i s lužinama, poput aluminija, pri čemu nastaje vodeno staklo i vodik: Si + 2 NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 3 H₂. Ta se reakcija primjenjivala za punjenje izviđačkih balona u Prusko-francuskom ratu 1870. godine. Na bojišnicu je stizao hidrogenit, smjesa silicija (u obliku ferosilicija, slitine silicija sa željezom) i natrijeva hidroksida uz dodatak kalcijeva hidroksida (radi sušenja).U metalnu bačvu s hidrogenitom trebalo je samo uliti vodu – i evo vodika!

Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda i urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Piše za časopis Čovjek i svemir, te mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug-online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba izvojiti „Kemijski leksikon u stripu“, „Metali života – metali smrti“ te „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.