Периодическая система элементов Менделеева - Кремний

Кремний - один из самых распространенных элементов на нашей планете. На его долю приходится около 30 процентов веса земной тверди. По странной прихоти природы он находится в периодической таблице на одном «меридиане» с углеродом. В чистом виде кремний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люс-саком и Луи Жаком Тенаром. Название у него латинского происхождения («silex» - кремень). В 1834 году русский химик Герман Иванович Гесс ввел другое наименование - кремний. Способ его получения в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Атом кремния, так же как и атом углерода, обычно четырехвалентен. Этим в известной степени объясняются его химические повадки: он не желает находиться в одиночестве. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Чаще всего он образует в союзе с кислородом диоксид - очень твердое, тугоплавкое, химически инертное вещество. Это кварц и его разновидности.

Кварц состоит из множества сросшихся друг с другом кристаллов. В их полупрозрачной толще любит прятаться золото. Некоторые самородки, найденные в одном из богатейших месторождений на Земле - близ горы Мурунтау (Узбекистан), весят до двух килограммов. Из кварца делают химическую посуду, а из его натечных форм - агата и яшмы - призмы для точных весов, камни для часов и чувствительных приборов.

Любопытными свойствами обладает горный хрусталь - еще одна модификация кварца. Его добывают на Урале, в Африке, в Южной и Северной Америке. Некоторые кристаллы горного хрусталя достигают гигантских размеров. Так, глыба, обнаруженная на Мадагаскаре, имела в длину восемь метров! Если вырезать из этого красивого минерала тонкую пластинку и изгибать ее, то на плоскостях появляются электрические заряды. Такой эффект называют пьезоэлектрическим. Он широко используется в современной технике. Звукосниматель в проигрывателе вашего радиоприемника, например, состоит из крохотного кристалла горного хрусталя. С его помощью стабилизируется длина радиоволны, создаются ультразвуковые приборы. Устройство сверхточных кварцевых часов тоже основано на применении пьезоэлектрических элементов.

Казалось бы, кварц давно раскрыл секреты своего строения и свойства: он прочен, упруг, коэффициент его теплового расширения ничтожно мал. И вдруг обнаружилось, что его кристаллы «прозрачны» не только для видимых лучей. Они превосходно пропускают и ультрафиолетовые! Поэтому из горного хрусталя начали делать детали точнейших оптических приборов - линзы и призмы. Если такое стекло вставить в оконные рамы, то можно загорать, не выходя из комнаты. Издавна высоко ценятся и другие разновидности кварца: фиолетовый аметист, лимонно-желтый цитрин, которые причисляют к числу драгоценных самоцветов.

Хочется напомнить вам сказ Павла Петровича Бажова «Хрупкая веточка». В нем идет речь о Митюхе, мастере по каменной ягоде. Такие, как он, гранильщики постигли все сущее: «Черну, скажем, смородину из агату делали, белу - из дурмашков, клубнику - из сургучной яшмы, княже?1И-ку - из шерловых шариков клеили. Одним словом, всякой ягоде свой камень. Для корешков да листочков тоже свой порядок был: кое из офата, кое из малахита либо из орлеца и там еще из какого-нибудь камня»» И веточка с ягодой как живая получалась! А все дело тут в богатейшей палитре кремниевых соединений.

Если к раствору силиката натрия добавить соляную или серную кислоту, то образуется типичный гель: кремневый ангидрид. Его разламывают на куски, тщательно промывают, сушат, дробят в труху, просеивают через сита, разделяя на фракции. После прокаливания силикагель (именно так называют этот продукт) отправляется потребителям. Его высокие сорбирующие свойства обусловлены развитой капиллярной структурой: скелет геля состоит из микроскопических бусинок SiO₂, размеры которых - около 100 ангстрем. Области использования мелкопористого снликагеля: тонкослойная и колоночная хроматография. С его помощью доводят до высоких кондиций масла и жиры, бензин и керосин.

Крупнопористый силикагель часто используют в качестве носителя для различных катализаторов- платины, палладия, никеля. Но это все давно известное и традиционное. А вот и совсем новое. Силикагель добавили в мастику, которой натирают пол. Перед глазами возникла блестящая поверхность, на которую даже наступать страшно. Бояться же нечего: добавка кремниевого соединения придала полу ту неуловимую шероховатость, которая предохраняет от нечаянного падения. Что касается блеска, то он остается прежним, потому что размер вводимых частиц меньше длины световой волны.

Геологи насчитывают около 200 разновидностей кварца, а минералов, образованных с его участием, в несколько раз больше. Кремний играет главенствующую роль в породах, составляющих основу земной тверди: в базальтах, гнейсе, граните и других соединениях.

Совершенно уникальными свойствами обладают асбест и слюда, куда тоже входят атомы кремния. Они исстари используются человеком. Расчленяя слюду на пластинки, наши пращуры вставляли их в окна. Позже ее использовали в нагревательных элементах, электрических конденсаторах, деталях счетчиков заряженных частиц.

И асбест находит самое разнообразное применение в современной жизни. Это не только спецовка пожарных, но и отличный тепловой и электрический изолятор, который не теряет своих свойств при температуре свыше 1000 градусов, это также огнеупорный картон. В смеси с цементом асбест образует превосходный строительный материал - асбоцемент, широко используемый при сооружении химических объектов. Асбеститом облицовывают паровые котлы, асбофанерой обшивают потолки и стены, ее применяют в качестве кровли.

С незапамятных времен известно людям стекло, которое делается из песка, известняка и соды. Изобрели его, видимо, не финикийские купцы, как утверждает римский историк Плиний Старший, а кто-то другой. Самая древняя бусина из стекла (ей пять с половиной тысяч лет) была найдена в гробнице близ Фив, столицы Египта. Ассирийский царь Ашшурбанипал, собравший огромную по тем временам библиотеку из глиняных табличек, особенно дорожил рецептами получения стекла - прозрачного, золоченого, цветного.

Процессы варки стекла постепенно совершенствовались. На смену камышовой трубке, обмазанной глиной, пришла металлическая, и форма изделий, выдуваемых с ее помощью, усложнилась. Известно, что в 1643 году до нашей эры фараон Сезострис приказал своим мастерам отлить статую из изумрудного стекла. Император Нерон заплатил за две прозрачные чаши около тысячи рублей на наши деньги. Любопытный случай описывает историк IV века Лампридий: император Гелиогабал пригласил свою челядь к столу, уставленному самыми изысканными и прекрасными на вид кушаньями и фруктами. А это были предметы из стекла.

Но прошло еще много времени, прежде чем люди научились делать настоящее оконное стекло, приблизительный состав которого выражается формулой: Na20-CaO-6Si02. Его «варят» в регенеративных печах из белого песка, соды, известняка или мела. Для специальных целей получают тугоплавкое (иенское) стекло, заменяя карбонат натрия поташом. Вам, наверно, приходилось видеть на прилавках хозяйственных магазинов прозрачные кастрюли и сковородки. Они сделаны из особых сортов стекла (дюракс, резиста), содержащего оксид бора. В такой посуде можно безбоязненно готовить пищу даже на открытом огне.

Используемый при варке обыкновенного стекла кремнезем очень часто содержит небольшие примеси соединений железа, которые придают ему слегка зеленоватый цвет. Чтобы избежать этого, технологи идут на хитрость: они добавляют в массу ничтожные количества селена или диоксида марганца, которые, в свою очередь, окрашивают стекло в бледно-розовый цвет. Слагаясь, эти тона подавляют друг друга, и расплав обесцвечивается.

В наши дни изделий из стекла требуется все больше и больше. Старыми же методами делать их не под силу. По этому на помощь людям пришли механизмы. Они формуют графины и стаканы, вазы и фужеры, прокатывают листовое стекло, штампуют бутылки и банки всевозможных размеров и калибров. Сейчас во всем мире вырабатывается около миллиарда квадратных метров оконного, зеркального и другого стекла. Чтобы придать ему нужный оттенок, в расплав добавляют различные присадки. Оксиды хрома и меди сообщают стеклу зеленый цвет, кобальта - синий. Селенид кадмия вводят в массу при получении искусственных «рубинов». В большинстве случаев окраска стекла зависит от того, из каких компонентов образованы силикаты (железа, меди, кобальта и других).

Кстати, тонкости производства цветного стекла хорошо знал великий русский ученый М. В. Ломоносов. По его рецептам на казенном заводе в Петербурге изготавливались бисер, стеклярус, мозаичная смальта. Несколько позже вступил в строй цех, где наладили выпуск разноцветной посуды, запонок, табакерок, женских украшений.

Иногда вместо известняка в шихту добавляют оксид свинца, который превращает стекло в хрусталь. Из него делают всевозможные витражи и архитектурные детали, красивую посуду и великолепные - не отличишь от настоящих!- подделки драгоценных камней.

И еще. Ветровые стекла автомобилей подвергаются закалке. Их наружный слой сильно сжат, а внутренний - растянут. Они значительно прочнее обычного оконного стекла, а если все-таки разбиваются, то осколки получаются тупыми, не ранят водителей.

Допустим, вам требуются реторты, колбы к пробирки, способные выдержать высокую температуру, - их изготовят из кварца. Они почти не расширяются при нагревании. Их можно опустить в холодную воду - посуда не треснет. В некоторые сорта стекла добавляют оксиды железа и ванадия, и оно почти не пропускает тепло. Представляете, как облегчат такие прозрачные экраны труд сталеваров, доменщиков, прокатчиков? В атомной технике защитные стекла наряду с силикатами бора содержат окись кадмия, поглощающую медленные нейтроны, фториды или фосфат вольфрама, которые сорбируют гамма-излучение.

Очень многообразен набор веществ, идущих на изготовление оптического стекла. Главные условия: более легкий кронглас не должен иметь в своем составе свинец, так как из него делают выпуклые линзы, а в тяжелый флинтглас, наоборот, добавляют оксид свинца и формуют вогнутые стекла. При таком сочетании линз лучи всего спектра собираются в один пучок, на экранах объектива не бывает цветных полос. Но это еще не все: линзы надо подвергнуть медленному отжигу, т. е. охладить в специальных печах. Процесс длится несколько месяцев, и лишь после этого начинается их шлифовка и полировка.

Как это ни парадоксально, но из стекла можно сделать одежду. Конечно, не из такого, что вставлено в рамы наших окон. Если вытянуть из него волокна во много раз тоньше человеческого волоса, то они теряют свою первородную хрупкость, становятся мягкими, шелковистыми. Нитка, сплетенная из стеклянных волокон толщиной в 10 микрон, не обрывается, когда к ней подвешивают груз весом в полтонны. Короче говоря, материал получается отменной прочности. Пряди из него, тки, шей спецовку, фартук, платье или рубашку и носи себе на здоровье!

Недавно из мелконарубленного стеклянного волокна изготовили бумагу, которая обладает поразительными качествами. Она в десять раз прочнее обычной, не боится огня, сырости и плесени. Из нее можно шить театральные занавеси, одежду для пожарных и для рабочих химических цехов. Несколько лет назад в Индии произошел такой случай. Туда прибыли два многоместных автобуса. На ночь их оставили во дворе. Утром водители открыли дверцы и ужаснулись: вместо кресел - груды пружин, ни занавесок на окнах, ни ремней...

_ Термиты пировали... - объяснили местные жители. Так вот, по совету химиков стены автобусов, предназначенных для тропических стран, теперь обивают стеклянной бумагой, ею же обтягивают кресла, из нее кроят занавески на окна. Это стекло термитам не по зубам.

За последние годы в нашей стране бурными темпами развивается новая отрасль промышленности - ситаллургия. Слово это ввел в обиход московский профессор А. И. Китайгородский, один из творцов материала с невиданными свойствами. Расшифровывается оно так: стекло + кристалл = ситалл. Короче говоря, это кристаллическое стекло. Таким оно становится благодаря примесям различных химических веществ и особым условиям охлаждения. Мельчайшие кристаллы, которые образуют его «скелет», склеены тонкой стеклянной пленкой. А сырьем для ситалла служат отходы металлургического производства, шлаки - в буквальном смысле слова бросовый материал. На Новолипецком заводе, например, отвалы, где он годами скапливается, занимают десятки гектаров.

Ситалл, как показывают исследования, - это стекло со свойствами металла. Он выдерживает колоссальные нагрузки. Чугунная гиря от него отскакивает. При температуре в 1000 градусов, когда некоторые металлы становятся жидкими, ситалл сохраняет завидную прочность и даже не расширяется при нагревании! Смесь азотной и серной кислоты не в состоянии сокрушить раскаленную пластинку из нового материала, хоть держи ее в этой адской смеси сутки. Даже ванадий, славящийся своей стойкостью, не выдерживает таких мук и за несколько часов превращается в решето...

Ситалл ждут строители, химики и даже те, кто создает машины. Недалек день, когда в наших городах появятся вечные тротуары и дороги, трубы для перекачки самых едких кислот и щелочей, красивые полы, лестничные марши, подоконники - разноцветные, яркие, не знающие износа. Нет, прав был Михаил Васильевич Ломоносов, который писал:

 

Пою перед тобой в восторге похвалу, Не камням дорогим, не злату, но стеклу. И как я оное хваля воспоминаю, Не ломкость лживого я счастья представляю, Не должно тленности примером тое быть, Чего и сильный огнь не может разрушить, Других вещей земных конечный разрушитель:

Стекло им рождено, огонь его родитель!

Полезны и другие соединения кремния, например, карборунд. Этот абразивный материал, уступающий по твердости лишь алмазу и боразону, образован кремнием совместно с углеродом. Карборундовыми наждачными и шлифовальными кругами обрабатывают самую твердую сталь.

А керамика? Она много веков верой и правдой служит человеку. В глиняных сосудах он варил пищу на заре цивилизации, потом научился строить дома из кирпича. Несколько тысячелетий назад китайские мастера открыли секрет каолина и начали делать из этой белой глины красивейшую полупрозрачную посуду.

В наши дни керамика, обладающая высокими изоляционными свойствами, переживает вторую молодость. Она широко применяется в электро- и радиотехнике. Сплав кремния с железом - ферросилиций - незаменим при выплавке специальных сортов стали и изготовлении кислотоупорных изделий.

Подобно углероду, кремний может создавать длинные молекулярные цепи из своих атомов. Этим воспользовались ученые. Они получили силан и даже каучук, обладающий рядом удивительных свойств. Кремниевые цепочки, введенные в состав масел, лаков, эмалей, намного повысили их теплостойкость. Электромоторы, имеющие кремнийорганическую изоляцию, могут работать под водой. Их мощность вдвое выше, чем у двигателей с обычной обмоткой.

Несколько лет назад весь мир взбудоражило сообщение об опытах американского инженера Вальтера Роббса, которому удалось изготовить пленку из силиконовой резины толщиной 0,0025 сантиметра. Ею он обтянул клетку, где жил хомяк, и опустил в аквариум. Зверек не задохнулся! В течение нескольких часов он дышал кислородом, растворенным в воде, и был при этом бодр, не проявлял признаков беспокойства. Оказывается, пленка играет роль мембраны, выполняя те же функции, что и жабры у рыб. Она легко пропускает молекулы газа жизни, а углекислый газ таким же образом покидает пленку.

Применение сверхтонких силиконовых пленок открывает грандиозные возможности перед наукой и техникой. По-видимому, с их помощью удастся решить вопрос о снабжении подводных лодок кислородом и пресной водой. Более простой и компактной станет конструкция аппаратов «сердце - легкие». А впереди заманчивая перспектива создания «жабер» для человека...

Сверхчистый кремний используется в качестве полупроводника. Из его кристаллов делают солнечные фотоэлементы, имеющие высокий коэффициент полезного действия. Такие батареи устанавливают на космических кораблях, на «Луноходе-1» и «Луноходе-2». Они бесперебойно питают ракеты и самоходные аппараты электрическим током. Полупроводниковые диоды и триоды из кремния широко применяются в радиотехнике.

Углерод - основа органического мира. Кремний играет ту же роль в минералах и горных породах. По данным академика А. П. Виноградова, они на 97 процентов состоят из природных силикатов. Но это еще не все. Оказывается, небольшое количество элемента № 14 входит в состав живых организмов. Он есть и в теле человека (0,1 процента). Инфузории строят панцири из растворенной в океане кремниевой кислоты, а некоторые микроорганизмы - свои крошечные скелеты. Кремний обнаружен в телах губок, в перьях птиц и в шерсти животных. Встречается он и в растениях - бамбуке, хвоще, злаках. Кожа человека обязана ему в какой-то мере упругостью, волосы - блеском, зубы - твердостью, а кости - крепостью.