Analizę strukturalną atomów krzemu można omawiać z wielu punktów widzenia, takich jak konfiguracja elektronowa, tworzenie wiązań kowalencyjnych, sposób hybrydyzacji oraz właściwości fizyczne i chemiczne.
1. Konfiguracja elektroniczna
Atomy krzemu (Si) znajdują się w czwartym okresie i grupie IVA układu okresowego, a ich liczba atomowa wynosi 14. Konfiguracja elektronowa atomów krzemu jest zgodna z zasadą konstrukcji, to znaczy, że elektrony znajdują się na zewnątrz jądra i otaczają je warstwa po warstwie od niskich do wysokich poziomów energii, od wewnątrz do zewnątrz. Dokładniej, konfiguracja elektronowa atomów krzemu wynosi 1s²2s²2p⁶3s²3p², to znaczy, że w najbardziej wewnętrznej warstwie (pierwsza warstwa) znajdują się 2 elektrony, w drugiej zewnętrznej warstwie (druga warstwa) 8 elektronów, a w najbardziej zewnętrznej warstwie (trzecia warstwa) 4 elektrony. Te 4 najbardziej zewnętrzne elektrony są elektronami walencyjnymi atomów krzemu, które odgrywają kluczową rolę w reakcjach chemicznych.
2. Tworzenie wiązania kowalencyjnego
Atomy krzemu mają tendencję do osiągania stabilnej konfiguracji elektronicznej (podobnej do gazów obojętnych) poprzez dzielenie się swoimi elektronami walencyjnymi z innymi atomami. W szczególności atomy krzemu mogą osiągnąć stabilną konfigurację 8-elektronów (lub 2-par elektronów) poprzez dzielenie się parą elektronów z każdym z otaczających atomów, tworząc cztery wiązania kowalencyjne. Tworzenie tego wiązania kowalencyjnego jest podstawą stabilności atomów krzemu w naturze i w wielu związkach.
3. hybrydyzacja sp³
Aby utworzyć wiązania kowalencyjne, które są równomiernie rozłożone w czterech kierunkach, najbardziej zewnętrzny orbital s (1) i trzy orbitale p (3) atomu krzemu są hybrydyzowane, aby wygenerować cztery hybrydowe orbitale sp³. Te hybrydowe orbitale mają ten sam kształt (rozkład tetraedryczny) i energię, każdy orbital mieści jeden elektron i może tworzyć stabilne wiązania kowalencyjne z elektronami sąsiadujących atomów. Ta hybrydyzacja umożliwia atomom krzemu tworzenie stabilnej struktury tetraedrycznej podczas tworzenia związków.
4. Właściwości fizyczne
Krzem ma wiele unikalnych właściwości fizycznych. Po pierwsze, krzem jest bardzo twardym materiałem o twardości w skali Mohsa wynoszącej około 7, ustępując jedynie diamentowi i węglikowi boru. Po drugie, krzem jest materiałem półprzewodnikowym o przewodnictwie między przewodnikami i izolatorami. W temperaturze pokojowej przewodność krzemu jest bardzo niska, ale po podgrzaniu jego przewodność gwałtownie wzrasta. Ponadto krzem ma doskonałą przewodność cieplną i wysoką przepuszczalność (w pasmach światła widzialnego i bliskiej podczerwieni), co sprawia, że krzem jest szeroko stosowany w elektronice, komunikacji światłowodowej i innych dziedzinach.
V. Właściwości chemiczne
Właściwości chemiczne krzemu są stosunkowo stabilne i trudno jest reagować z innymi substancjami (oprócz fluorku wodoru i roztworu alkalicznego) w temperaturze pokojowej. Krzem może reagować z roztworem wodorotlenku metalu alkalicznego, tworząc krzemian i wodór, co jest ważną właściwością chemiczną krzemu. Ponadto krzem może również reagować z niektórymi pierwiastkami niemetalicznymi i metalicznymi w wysokiej temperaturze, tworząc silicid.