Otwórz menu główne

Krzem

pierwiastek chemiczny

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.

Krzem
glin ← krzem → fosfor
Wygląd
szary
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 –II, –IV, 0, II, IV
Właściwości metaliczne półmetal
Właściwości tlenków amfoteryczne
Masa atomowa 28,084–28,086 u[3][a]
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[1]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Krzem został zidentyfikowany jako pierwiastek przez Antoine Lavoisiera w 1787. Humphry Davy, w 1800 r. błędnie uznał, że krzem jest związkiem chemicznym i opinia ta przetrwała aż do 1824 r., kiedy to Jöns Jacob Berzelius otrzymał czysty krzem z krzemionki SiO2, przeprowadzając ją kwasem fluorowodorowym w SiF4 i redukując go potasem.

WystępowanieEdytuj

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%[6]. 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[7]. 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[6].

ZwiązkiEdytuj

Krzem, podobnie jak węgiel, tworzy łańcuchy krzem-krzem, krzem-tlen-krzem oraz krzem-azot-krzem. Istnieje dość liczna (około 300 000) 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.

Znaczenie biologiczne krzemuEdytuj

 
Krzemionkowa okrywa okrzemki

Rola krzemu w organizmach niższych i roślinachEdytuj

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[8][9][10]. Wykazano, że krzem jest zdolny do poprawy wytrzymałości ściany komórkowej i integralności strukturalnej u niektórych roślin[11].

Rola krzemu w organizmie ssaków i człowiekaEdytuj

W ciele człowieka występuje ok. 1-2 gram krzemu; jest to trzeci, po żelazie i cynku, pierwiastek śladowy w organizmie[12]. Krzem w organizmie jest skoncentrowany głównie w tkance łącznej – aorcie, tchawice, ścięgnach, kościach i skórze[13]. Krzem wchodzi w skład kompleksów glikozaminoglikanów z białkami, uczestnicząc w tworzeniu struktury tkanki łącznej[13].

W badaniach przeprowadzonych w latach 70-ych 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[13]. Wniosek ten został potwierdzony badaniami in vivo: mineralizacja kości zależała od ilości krzemu w diecie szczurów[14].

Badania in vitro wykazały, że krzem stymuluje różnicowanie i proliferację komórek kościotwórczych (osteoblastów) oraz stymuluje syntezę kolagenu typu I[15][16][17].

Krzem w żywnościEdytuj

Istnieją dowody na to, że spożycie krzemu jest ważne do utrzymania zdrowych skóry, kości, paznokci i włosów[18].

Badania na zwierzętach wykazały, że niedobór krzemu w diecie może powodować zaburzenia wzrostu, deformacje czaszki, obniżenie masy ciała oraz gęstości mineralnej kości[14]. Suplementacja krzemu natomiast sprzyjała wbudowaniu wapnia do tkanki kostnej, zwiększało mineralną gęstość kości oraz obniżało częstotliwość urazów[14]. 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[19].

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[20].

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[21].

Spożycie krzemu w populacji polskiej wynosi ok. 24,0 mg/dzień u kobiet i 27,7, mg/dzień u mężczyzn[22]. Jest to znacznie mniej, niż w społecznościach których jadłospis bazuje na warzywach; w Indiach i Chinach spożycie krzemu wynosi 140-204 mg/dziennie[12].

Przyswajalność krzemu z żywnościEdytuj

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%[19]. 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:

  • monomethylsilanetriol (MMST, inaczej krzem organiczny) jest molekułą kwasu krzemowego, do której wprowadzono grupę metylową[23]
  • kwas krzemowy stabilizowany choliną (ch-OSA, choline-stabilised orthosilicic acid)[24]
  • kwas krzemowy stabilizowany waniliną (OSA-VC, orthosilicic acid-vanillin complex)[25]

Wszystkie trzy rodzaje są dopuszczone do stosowania w suplementach diety.

Zobacz teżEdytuj

UwagiEdytuj

  1. Z uwagi na zmienność abundancji izotopów pierwiastka w naturze, podany został zakres wartości masy atomowej dla naturalnych źródeł tego pierwiastka.

PrzypisyEdytuj

  1. a b c Krzem (CID: 5461123) (ang.) w bazie PubChem, United States National Library of Medicine.
  2. Krzem (nr 267414) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych (ze względu na zmianę sposobu wywołania karty charakterystyki, aby pobrać kartę dla obszaru USA, na stronie produktu należy zmienić lokalizację na "United States" i ponownie pobrać kartę). [dostęp 2011-10-02].
  3.   Juris Meija i inni, Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 88 (3), 2016, s. 265–291, DOI10.1515/pac-2015-0305.
  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. 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.
  7. Aleksandra Macioszczyk: Hydrogeochemia. Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1987, s. 174–177, 184. ISBN 83-220-0298-X.
  8. Rahman, Atta-ur-, 1942-, Studies in natural products chemistry, Amsterdam: Elsevier, 1988, ISBN 978-0-444-42970-4, OCLC 17873728 [dostęp 2019-10-08].
  9. Christopher Exley, Silicon in life:A bioinorganic solution to bioorganic essentiality1JD Birchall memorial lecture.1, „Journal of Inorganic Biochemistry”, 69 (3), 1998, s. 139–144, DOI10.1016/S0162-0134(97)10010-1 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  10. Emanuel Epstein, SILICON, „Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology”, 50 (1), 1999, s. 641–664, DOI10.1146/annurev.arplant.50.1.641, ISSN 1040-2519 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  11. 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, DOI10.1094/phyto.2002.92.10.1095, ISSN 0031-949X [dostęp 2019-10-08].
  12. 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, DOI10.1016/j.jajs.2017.10.003 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  13. a b c Edith Muriel Carlisle, Silicon as an Essential Trace Element in Animal Nutrition, Chichester, UK: John Wiley & Sons, Ltd., 28 września 2007, s. 123–139, DOI10.1002/9780470513323.ch8, ISBN 978-0-470-51332-3 [dostęp 2019-10-08].
  14. 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, DOI10.1007/s12603-014-0555-8, ISSN 1279-7707 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  15. 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, DOI10.1016/S8756-3282(02)00950-X [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  16. 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, DOI10.1007/s12011-012-9593-4, ISSN 0163-4984 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  17. 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, DOI10.1007/s12011-016-0686-3, ISSN 0163-4984 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  18. Keith R. Martin, Silicon: The Health Benefits of a Metalloid, Astrid Sigel, Helmut Sigel, Roland K.O. Sigel (red.), t. 13, Dordrecht: Springer Netherlands, 2013, s. 451–473, DOI10.1007/978-94-007-7500-8_14, ISBN 978-94-007-7499-5 [dostęp 2019-10-08].
  19. a b Forrest H. Nielsen, UPDATE ON THE POSSIBLE NUTRITIONAL IMPORTANCE OF SILICON, „Journal of Trace Elements in Medicine and Biology”, 2014, S0946672X14001308, DOI10.1016/j.jtemb.2014.06.025 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  20. 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, DOI10.1359/JBMR.0301225 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  21.   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, DOI10.1186/1471-2474-9-85, ISSN 1471-2474, PMID18547426, PMCIDPMC2442067 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  22.   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, DOI10.3390/nu11050980, ISSN 2072-6643, PMID31035649, PMCIDPMC6567281 [dostęp 2019-10-08] (ang.).
  23. 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, DOI10.2903/j.efsa.2016.4436, ISSN 1831-4732 [dostęp 2019-11-11] (ang.).
  24. Choline-stabilised orthosilicic acid added for nutritional purposes to food supplements, „EFSA Journal”, 7 (2), 2009, s. 948, DOI10.2903/j.efsa.2009.948, ISSN 1831-4732 [dostęp 2019-11-11].
  25. 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, DOI10.2903/j.efsa.2018.5086, ISSN 1831-4732 [dostęp 2019-11-11] (ang.).