Silicon-2

одной из баллад Жуковского рассказывается, как некий иностранец, приехав в Амстердам, расспраши­вал прохожих о том, кому принадлежат магазины, дома, суда и поместья, и на вое получал один и тот же ответ: «Кан-нит-ферштан». «Как он богат!»—думал иностранец, за­видуя этому человеку и не догадываясь о том, что эти слова означают по-голландски: «не понимаю».
Эта история всегда приходит мне на память, когда расска­зывают о кварце. Показывают мне самые разнообразные пред­меты: прозрачный шар, сверкающий на солнце чистотой хо­лодной ключевой воды, красивый пестрого рисунка агат, яркой игры многоцветный опал, чистый песок на берегу моря, тонкую, как шелковинка, нитку из плавленного кварца или жароупор­ную посуду из него, красиво ограненные груды кристаллов гор­ного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в кремень, грубо обработан­ный наконечник стрелы древнего человека, и о чем бы я ни спросил, мпе ответят: все это состоит из кварца и близких к нему по составу минералов. Все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода.
Кремний имеет условный химический знак Si — силиций. После кислорода он является самым распространенным элемен­том в природе. В свободном виде он никогда не встречается, а всегда образует соединение с кислородом — SiCb, которое но­сит название: кремнезем, или окись кремния.
При слове «кремний» обычно чаще всего вспоминаешь кремень — минерал, который многие хорошо знают еще с дет­ства; кремень твердый, дающий горячую искру при ударе о  сталь и применявшийся древним человеком для получения огня, а позднее для зажигания пороха в кремневом ружье.

Однако минерал кремень — это не кремний химиков, а лишь одно, и притом не самое важное, его соединение. Сам же крем­ний — это замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены вокруг нас в природе и в технике.

В граните околю 80% кремнезема, или 40% элемента кремния. Из его соединений состоит большинство твердых горных пород. Порфир мавзолея Ленина и Сталина на Красной площади, кра­сивые граниты облицовки гостиницы «Москва», темно-синие сверкающие пятна лабрадора в фундаментах домов на улице Дзержинского в Москве и др.,— словом, все твердые и прочные породы земли состоят больше чем на треть из кремния.
Кремний — главная составная часть простой глины. Из него же состоят в основном простой песок речных берегов, толщи песчаников и сланцев.
Не удивительно поэтому, что около 30% по весу всей нашей земной коры состоит из этого элемента, что до глубины в 16 километров около 65% приходится на его главное соедине­ние с кислородом SiC>2, которое химики называют кремнеземом и которое мы называем чаще всего кварцем. Мы знаем свыше двухсот различных разновидностей природного кремнезема, и больше ста различных названий употребляют минералоги и геологи, перечисляя разные виды этого важнейшего минерала.




Мы говорим об окиси кремния, когда называем кремень, кварц, горный хрусталь, говорим о ней, когда восторгаемся красотой фиолетового аметиста, пестрого опала иликрасного сердолика, черного оникса или серого халцедона, к нему отно­сятся и красивые разновидности яшмы, и точильный камень, и простой песок. Самые разнообразные названия даются отдель­ным ее разновидностям, и, может быть,, нужна целая нау­ка, чтобы разобраться в соединениях этого замечательного эле­мента.
Но в природе встречается еще гораздо больше соединений; где наш кремнезем, или кремневая, кислота сочетается с окисла­ми других металлов. При этом получаются тысячи новых видов минералов, называемых силикатами.
Человек применяет их в своей строительной технике и хо­зяйстве; важнейшие из них — глины и полевые шпаты — он использует для получения различных сортов стекла, фарфора и фаянса, для отливки оконных стекол, хрусталя для стаканов, для создания величайшей силы строительной техники — проч­ного, как броня, бетона, одного из основных материалов для полотна новых автострад, мостов и железобетонных перекрытий заводов и фабрик, театров, домов и т. д.
Что может сравниться в руках человека по прочности и разнообразию своих свойств с кремнием и его соединениями?
Кремний в животных и растениях
Но еще раньше, чем хитроумный человек научился поль­зоваться окисью кремния в своей технике, природа уже широко использовала ее в жизни растений и животных. Там, где надо было построить прочный стебель, прочную соломинку колоса, накапливалось большое количество кремнезема; и мы знаем, как много его содержится в золе простой соломы и в особен­ности ц прочных стеблях таких растений, как хвощи, которые росли в далекие геологические эпохи образования каменного угля, вытягиваясь из болотистых низин на высоту в десятки метров, так же, как сейчас вытягиваются к небу богатые крем­неземом трубки бамбука в садах Сухуми или Батуми. В этих растениях природа сумела сочетать механическую прочность с прочностью самого материала.
Прочность стебля имеет огромное практическое значение для колосьев злаков, не позволяя ниве ложиться под ударами ветра или дождя.
Каждый день на самолетах перевозят цветы и декоратив­ные растения; и, чтобы эти цве­ты не мялись, а стебли их остаг вались прочными, необходимо почву, в которой они растут, на­сыщать легкорастворимыми со­лями кремния. Растения погло­щают с водой кремнезем — и их стебли приобретают твер­дость и прочность.

Радиолярии. Из отверстий в изящном кремневом скелете выступают ложноножки живой клетки
Но не только для стеблей ну­жна растениям прочность крем­ния и его соединений. Мель­чайшие растения, диатомо­вые водоросли, строят свои скелеты из кремнезема; и мы знаем сейчас, что на 1 см3 по­роды, образующейся из скорлу­пок этих водорослей, требуется около 5 000 000 этих маленьких организмов.
Но особенно замечательны те постройки, в которых крем­незем используется животными для создания своего скелета. В разные эпохи развития жизни животные по-разному решали эту задачу прочности. В одних случаях они защищали снаружи свое тело известковой рако­виной, в других — они строили эту раковину из фосфата каль­ция; в третьих — вместо раковины основу ясивотного составлял твердый скелет, и он образовывался из самых разнообразных, но прочных материалов. То это были фосфаты кальция вроде того вещества, из которого образуются наши кости; то это были тонкие ажурные иглы сернокислых солей бария и стронция; наконец, некоторые группы животных использовали прочный кремнезем и строили из него свои здания. Так строили семей­ства радиолярий своеобразные нежные скелеты из тонких иго­лочек кремнезема.
Некоторые губки также образуют свои твердые части из кремневых иголок — спикул.
Сотнями различных способов ухитряется природа использо­вать кремнезем, чтобы из него создать прочную опору для мяг­ких, изменчивых клеток.

Почему соединения кремния так прочны ?

Наши ученые пытались в последние годы понять,— в чем же разгадка замечательной прочности, которую придает крем­ний скелетам животных и растений, тысячам минералов и горных нород, самым тонким изделиям техники и промыш­ленности?
И когда глаза наших рентгенологов проникли в глубины этих кремневых соединений, открылись замечательные картины, которые помогли найти причину их прочности и загадку их строения.
Оказалось, что кремний находится в них в виде мельчайших заряженных атомов — ионов ничтожных размеров, в два с половиной раза меньше, чем одна стомиллионная часть санти­метра.
Эти маленькие заряженные шарики соединяются с такими же заряженными шариками кислорода, но больших размеров. В результате вокруг каждого из них теснейшим образом распо­лагаются четыре шарика кислорода, соприкасаясь друг с дру­гом, и получается особая геометрическая фигура, которую мы называем тетраэдром.
Тетраэдры сочетаются друг с другом по различным законам, и из них вырастают сложные большие постройки, кото­рые очень трудно сжимать или сгибать и в которых необы­чайно трудно оторвать атом кислорода от центрального атома кремния.

Расположение атомов кремния (белые шарики) и кислорода (черные) в кристалле кварца. Атомы кислорода связывают всегда два атома кремния
Современная наука выяснила, кто возможны тысячи таких соче­таний тетраэдров между собой.
Иногда между ними распола­гаются другие заряженные части­цы; в некоторых случаях наши тетраэдры сочетаются в отдель­ные полоски и пленки, создавая глины и тальки, но1 всегда и всю­ду в основе их строения лежит сочетание тетраэдров.
И подобно тому, как углерод с водородом образуют сотни тысяч разнообразных соединений в орга­нической химии, так в неоргани­ческой химии кремний с кисло­родом образуют тысячи постро­ек,, сложность которых раскрыта рентгеновским лучом.Кремнезем не только трудно разрушается механически, он не только так тверд, что острый стальной нож не может взять его, но он прочен и химически, так как ни одна кислота, за исключением плавиковой, не может разрушить или растворить его, и лишь сильная щелочь несколько растворяет его’, превращая в новые соединения. Он очень трудно плавится и только при 1600—1700° начинает переходить в жидкое состо­яние.
Таким образом, не удивительно, что кремнезем и его раз­нообразные соединения являются основой неорганической при­роды. В наше время возникла целая наука о химии кремния, и на каждом шагу все пути геологии, минералогии, техники и строительства переплетаются с историей этого элемента.
История кремния в земной коре
Проследим же теперь на отдельных примерах судьбу крем­ния в земной коре. Он образует с металлами основу расплав­ленной магмы в глубинах земной коры. И когда эта расплав­ленная магма застывает в глубинах, образуя кристаллические горные породы — граниты, габбро, или выливается на поверх­ность в виде лавовых потоков, базальта и других пород, возни­кают сложные соединения кремнезема, или силикаты. Если же кремния избыток, то появляется и чистый кварц.
Вот они — коротенькие кристаллы кварца в гранитных пор­фирах или густые дымчатые хрустали в пегматитовых жилах, последних остатках глубинных расплавов Земли. Надо осторож­но запечь в хлебе кусочек такого «дымчатого топаза» или нагреть его до 300—400°, чтобы получить «золотистый топаз», который и пойдет в огранку на бусинку или брошку.
Вот кварцевые жилы со сплошным белым кварцем. Мы знаем, что некоторые из них тянутся на сотни километров. Грандиозные кварцевые жилы стоят, как маяки, на склонах гор Урала. Здесь на много сотен километров протягиваются жилы с пустотами, заполненными прозрачным горным хрусталем. Это и есть те чистые прозрачные разновидности кварца, о которых писал греческий философ Аристотель, давший им название «кристалл» и связывавший происхождение горного хрусталя с окаменелым льдом. Это тот горный хрусталь, который уже в XVII веке добывался из природных «погребов» Швейцарских Альп, причем из отдельных пустот добывалось до 500 тонн гор­ного хрусталя, то есть до 30 вагонов.
Отдельные кристаллы иногда достигают грандиозных разме­ров. На Мадагаскаре был найден кристалл горного хрусталя, который имел в окружности 8 метров. Японцы выточили из прозрачного горного хрусталя Бирмы огромный шар — больше одного метра в диаметре, который весил почти полторы тонны.
Другой вид кремнезема, совсем не похожий по внешнему виду на тот,’ о котором мы только что говорили, отлагается из расплавленной лавы, когда горячие пары, насыщенные кремне­земом, осаждают в отдельных жилах или газовых пустотах громадные массы кремнистых желваков и жеод. И когда начи­нается разрушение породы в глинистую дресву, из нее как бы выкатываются грандиозные шары до одного метра в диа­метре.
В штате-Орегон в США их называют «гигантскими яйцами» или «яйцами-великанами». Их разбивают на куски и потом распиливают на тонкие пластины для получения прекрасных слоистых агатов — сырья для «камней» к часам и другим точным приборам, для призм весов, для ступочек химических лабораторий. Иногда и после прекращения вулканической дея­тельности, в связи с наличием остывающих изверженных масс, кремнезем выносится горячими ключами на поверхность земли. Таково, например, происхождение отложений «неблагородного опала» гейзерами в Исландии и в Йеллоустонском националь­ном парке США.

Посмотрим на белоснежные пески дюн побережья Балтики и северных морей, на миллионы квадратных километров песча­ных пустынь Средней Азии и Казахстана; песок — вот что опре­деляет природу берегов морей и пустынь; кварцевый песок то с красной пленкой железных окислов, то с преобладанием черного кремня, то чисто белый, очищенный морской волной.
А вот нарядные изделия из горного хрусталя. Искусный мастер китаец при помощи разнообразных скребков и наждач­ного порошка создал фантастические изделия из кристаллов кварца.
Сколько десятков лет затратил он, чтобы выточить вазочку из горного хрусталя, сделать чудовищного дракона или вы­долбить маленький флакончик для розового масла?
К вот агатовая пластинка; она окрашена разными крас­ками, Изобретательный человек научился пропитывать ее раз­личными растворами и из серого, невзрачного агата получать гладкие, ярко окрашенные пластинки для изделий.Но вот перед нами еще более удивительные картины: целые древние леса окаменелого дерева в Аризоне, каменные древесные стволы из чистого кремнезема — агата в западных областях Украины, а также среди пермских отложений запад­ного склона Южного Урала.
Вот искристый, переливающийся камень, напоминающий «огонь» кошачьего или тигрового глаза. Вот таинственные кри­сталлы, внутри которых, «как привидение», просвечивают как бы другие кристаллы того же кварца. Вот острые красно-жел­тые иголки минерала рутила прорезают в разных направлениях кристаллы горного хрусталя «стрелы Амура». Вот тонкий золотистый войлок — «волосы Венеры». Вот замечательный камень с пустотой внутри, почти сплошь заполненной водой. Вода переливается и играет внутри кремневой скорлупы.
Вот невероятно извилистая трубка — это результат действия молнии на кварцевый песок, сплавленные фульгуриты, «стрелы неба», или «громовые стрелы», как они называются часто на­родом. А вот камни с неба. Своеобразные богатые кремнеземом метеориты из зеленого или бурого стекла находят на отдель­ных участках того громадного пояса, который тянется через Австралию, Индокитай и Филиппины.
Сколько споров возникало вокруг этих таинственных обра­зований! Одни считали, что это остатки стекла, плавленного древним человеком, другие думали, что это расплавленные частицы земной пыли; третьи — что это продукт расплавления песков, когда в них падали массы метеорного железа, но боль­шинство ученых склонно думать, что это настоящие частицы других миров…

Я мог бы на этом кончить историю кварца, если бы мне не хотелось рассказать еще о том, какое огромное значение имел кварц в истории культуры и техники. Недаром первобыт­ный человек стал делать свои первые орудия из кремня или яшмы. Недаром самые первые украшения в древнейших по­стройках Египта, в остатках шумерийской культуры Месопоятамии были сделаны именно из кварца. Недаром еще за две­надцать веков до нашей эры на Востоке научились плавить песок с содой и получать стекло.
Горный хрусталь находил широчайшее применение у пер­сов, арабов, индусов, египтян; и мы имеем сведения, что обра­ботка кварца Существовала еще за пять с половиной тысяч лет до нашего времени.
В течение многих столетий древние греки считали горный хрусталь окаменевшим льдом, превращенным в камень по воле божественной силы. Много фантастических историй связано с этим камнем. В библейский сказаниях ему придавалось огромное значение. При постройке знаменитого Соломонова хра­ма в Иерусалиме этот минерал играл огромную роль под разны­ми названиями: агат, аметист, халцедон, оникс, сард и другие.
В середине XV в. была создана первая промышленность по обработке этого камня. Научились его пилить, шлифовать, окра­шивать и широко использовать в качестве украшений. Но все это были отдельные попытки кустарей, не имевшие массового характера до тех пор, пока новая техника не предъявила более широких требований. Сейчас горный хрусталь используется широко в промышленности и в радиотехнике, где с помощью пьезокварцевых пластинок стали улавливать ультразвуковые волны и преобразовывать их в электрические колебания. Гор­ный хрусталь превратился в один из важнейших видов сырья нашей промышленности.
И на смену флейте, выточенной из горного хрусталя (Худо­жественный музей в Вене), и прозрачному самовару (Оружей­ная палата в Москве) пришли маленькие пластинки из кварца для радио, способствовавшие успеху одного из величайших открытий человечества — передаче электромагнитных волн на далекие расстояния.
Но скоро кварц — чистый горный хрусталь — будут делать химики. В больших баллонах, наполненных жидким стеклом, при высокой температуре и под большим давлением на тонких серебряных проволочках будут расти кристаллы горного хру­сталя — чистые маленькие пластинки для радио, а может быть, и для стекол наших окон, для нашей посуды.
И живительные ультрафиолетовые лучи солнца, задержи­ваемые простым оконным стеклом, будут пронизывать наши комнаты. Появится посуда из плавленого кварца, и раскален­ые на плите кварцевые чашки можно будет опускать без опа­сений в холодную воду.
Горный хрусталь сделался основой новой техники; не толь­ко геохимик пользуется им как термометром для определения температуры земных процессов. Не только физик устанавливает при помощи кварца длину электромагнитных волн,— новые и заманчивые перспективы открывает кварц в различных областях промышленности; и скоро он войдет в обиход всей нашей жизни.
Чем упорнее будут химики и физики овладевать атомами кремния, тем скорее они впишут в историю науки и техники, а также в историю самой Земли, одну из самых замечательных страниц.

Print Friendly

Это интересно: