Реферат: Кремний

Коробецкая Анастасия 10А класс

КРЕМНИЙ

Научныйруководитель: Сукачева Т.А.

/> <td/> />
Кремний – второй по распространенности (после кислорода) элемент земной коры. Вверхних осадочных слоях он содержится в виде глин, кварца и других соединений исоставляет 27,6% состава земной коры… Под осадочным находится слой базальтов игранитов, в состав которых также входит кремний. Эти слои образуют земную коруи находятся на глубине до 35 км. В верхних слоях мантии (до 900 км) преобладаютсиликаты железа и магния. Ядро и нижняя мантия, по предположениям ученых, такжесостоят в основном из силикатов (рис.1).

В чистом видекремний в природе не встречается. Наиболее распространен оксид кремния исиликаты. Первый встречается в виде минерала кварца (кремнезем, кремень). Вприроде из этого соединения сложены целые горы. Попадаются очень крупные, до 40т кристаллы кварца. Обычный песок состоит из мелкого кварца с различнымипримесями. Горный хрусталь – совершенно прозрачные кристаллы кварца. Взависимости от примесей он может приобретать различную окраску. Так, оксидымарганца и железа дают фиолетовый оттенок. Это аметист. Желтоватый хрусталь –цитрин, дымчатый – раухтопаз. В нем могут находится и различные включения.Кошачий глаз включает в себя волокнистые материалы, «стрелы Амура» — включенияоксида титана.

Анализ лунногогрунта показал присутствие оксида кремния (IV) вколичестве более 40%. В составе каменных метеоритов содержание кремниядостигает 20%.

Оксид кремния– кремень – сыграл важную роль в истории развития человечества. Именно скремневых наконечников копий, ножей и топориков начинается истории большинстванародов. Позже кремень стал источником огня – путешественники никуда неотправлялись без огнива. А глиняные дома, посуда, предметы быта! Трудносказать, как бы развивался мир без стекла.

В наши дни всеболее необходим становится чистый кремний, как полупроводник. Так называемые«девять девяток чистоты» — 99,9999999% чистого кремния – первое требование кполупроводнику. Ни один из современных компьютеров не существовал бы безкремния. Тоже можно сказать и о ряде других технических средств. Великозначение различных веществ, основой которых являются соединения кремния. Этобетон, керамики, стекло.

В искусствекремний тоже играл большую роль. Большинство драгоценных и полудрагоценныхкамней – соединения того же кремния. И опять же вспоминаются стеклянные,хрустальные и глиняные изделия.

Многое всоединениях кремния остается не до конца понятным. Продолжаются исследования,выдвигаются новые гипотезы. Но многое уже известно. Попробуем разобраться вэтом.

Простое вещество и элементкремний

/>
Кремний – второй элемент в IV группе Периодическойтаблицы Д.И. Менделеева. Он находится прямо под углеродом и, следовательно,имеет сходные с ним свойства. На внешнем электронном слое у него четыреэлектрона, из которых в обычном состоянии два не спаренных. У кремниясуществуют соответствующие этому состоянию двухвалентные соединения, например SiO. Но гораздо более естественным при обычных температурахдля кремния является четырехвалентное состояние, при котором один из электронов«перепрыгивает» с s-подуровня на p-подуровень(рис.2).

Внешний электронныйслой у кремния находится дальше от ядра, чем у углерода, сила притяжениявалентных электронов к нему меньше, поэтому свойства кремния ближе кметаллическим. Кристаллический кремний обладает металлическим блеском, являетсяполупроводником. Последнее его свойство объясняется малой прочностьюковалентных связей, существующих между атомами кремния. Они начинаютразрушаться уже при комнатной температуре. При дальнейшем ее повышениивысвобождается большое количество свободных электронов. Полагают, что приабсолютном нуле идеально чистый и правильный кремний должен быть идеальнымэлектроизолятором. Но идеальная чистота и абсолютный нуль недостижимы, поэтомумы обладаем хорошим полупроводником.

В природесуществует три изотопа кремния с массовыми числами 28, 29 и 30. Преобладает(92,27%) легкий изотоп – кремний-28. Известны также несколько радиоактивныхизотопов.

Кремний –активный элемент. В природе он не встречается в свободном виде, и большинствоего соединений очень устойчивы. Несмотря на распространенность кремния вприроде, открыт он был сравнительно поздно. В 1825г. выдающийся шведский химики минералог Якоб Берцелиус сумел в двух реакциях выделить не очень чистыйкремний. Это был аморфный серый порошок. Для этого он восстановил калиемгазообразный тетрафторид кремния SiF4. Новый элементбыл назван силицием (от латинского silex – камень).Русское название появилось спустя девять лет и сохранилось до наших дней.

Кремний, как иуглерод, образует различные аллотропные модификации. Кристаллический кремнийтак же мало похож на аморфный, как алмаз на графит. Это твердое веществосеро-стального цвета с металлическим блеском и гранецентрированнойкристаллической решеткой того же типа, что и у алмаза.

Техническичистый кремний (95-98%) сейчас получают главным образом восстановлениемкремнезема в электрической дуге между графитовыми электродами. Используетсятакже способ восстановления кремнезема коксом в электрических печах. Такойкремний используют в металлургии как раскислитель, связывающий и удаляющий из металлакислород, и как легирующую добавку, повышающую прочность и коррозийнуюстойкость сталей и многих сплавов на основе цветных металлов. В сплавы егодобавляют в небольших количествах: избыток  кремния приводит к хрупкости.

Один изспособов получения высокочистого полупроводникового кремния был разработан вовторой половине XIX века русским химиком Н.Н. Бекетовыми был одним из первых способов получения кремния в промышленности. Он основанна реакции между парами цинка и тетрахлорида кремния. Для реакции берутвысокочистые реагенты и проводят ее при 950°С в трубчатом реакторе,изготовленном из плавленого кварца. Элементарный кремний образуется в видеигольчатых кристаллов, которые потом измельчают и промывают соляной кислотой,тоже весьма чистой. Затем следует еще одна ступень отчистки – зонная плавка, илишь после нее поликристаллическую кремниевую массу превращают в монокристаллы.

Есть и другиереакции, в которых получают высокочистый полупроводниковый кремний. Этовосстановление водородом трихлорсилана SiHCl3или четыреххлористого кремния SiCl4 итермическое разложения моносилана, гидрида кремния SiH4или тетраиодида SiI4. В последнем случаеразложение соединения происходит на разогретой до 1000°С танталовой ленте.Дополнительная очистка зонной плавкой следует после каждой из этих реакций.

Соединения кремния

Кремний дает два типа оксидов – оксид кремния (IV) и оксид кремния (II). Оксидкремния (IV) наиболее прочный, не разлагается привысоких температурах и выше 223°С переходит в парообразное состояние. Невосстанавливает его и водород. Более того: сам кремний иногда применяется вкачестве восстановителя, например при получении молибдена:

2MoO3+3Si Ž3SiO2+2Mo

Поскольку при окислении кремния выделяется громадноеколичество теплоты, оксид кремния (IV) и молибденполучаются в расплавленном состоянии.

В оксиде кремния (IV) молекулнет, так как за счет химической  вязи Si—О—Si образуется своеобразный пространственный каркас. Такимобразом, кусок кварца представляет как бы одну гигантскую молекулу. Кварцпредставляет собой неорганический полимер, и его формула (SiO2)n.

Чистый оксид кремния (IV)находится в природе в виде горного хрусталя, кристаллы которого достигаютиногда больших размеров. Самый крупный кристалл, найденный в Казахстане, весил70 т.

В больших количествах в промышленности готовятсиликагель – частично гидратированный оксид кремния (IV).Для его получения на раствор жидкого стекла действуют соляной кислотой:

Na2SiO3+2HCl Ž2NaCl ´ nH2SiO3

Выпавшую в осадок метакремниевую кислоту отмывают отхлорида натрия водой и высушивают при 170 -180 °С. При этом образуется аморфныйоксид кремния, содержащий небольшое количество химически связанной воды. Поэтомусиликагелю придают условную формулу SiO2 ´ nH2O. Высушенный силикагель может адсорбировать значительноеколичество паров воды, его применяют для осушки газов.

Широко применяется оксид кремния (IV)в промышленности и при научных исследованиях. В виде кварцевого песка егоиспользуют в стекольной промышленности; SiO2– главный компонент силикатных стекол. Кварцевый песок – важнейший строительныйматериал. Кварцевый песок идет в больших количествах для изготовления одного излучших огнеупоров – динаса. Его получают спеканием кварцевого песка, к которомудобавлено 2-2,5% извести. Динас размягчается только при 1700°С, он служит длявыкладки мартеновских печей и различных печей для получения цветных металлов.

Плавленый кварц (SiO2)n дает кварцевое стекло, обладающее интереснымсвойством: оно имеет самый низкий температурный коэффициент расширения, т. е.при нагревании кварцевое стекло практически не расширяется. Поэтому при резкомнагревании или охлаждении посуда из кварцевого стекла не растрескивается.Применяют кварцевую посуду в химических лабораториях. Ее широкомураспространению мешает большая хрупкость и значительные трудности визготовлении (очень высокая температура плавления кварца).

Кремний дает и оксид SiO,который получается взаимодействием оксида кремния (IV)с кремнием:

SiO2+SiŽ2SiO

Оксид кремния SiO – серый порошок,какого-либо применения он не находит. Интересно отметить, что при нагреванииэтот оксид довольно быстро распадается:

2SiO Ž Si + SiO2

Этоуказывает на то, что двухвалентное состояние для кремния не столь характерно,как четырехвалентное.

Соединения кремния с водородом называютсякремневодородами или силанами. Их состав отвечает общей формуле SinH2n+2 аналогичной общей формуле углеводородов предельногоряда. Простейший представитель этого класса — силан SiH4 — впервые получен немецким химиком Д. Вёлером в 1857 г. Силан и егогомологи (H3Si — SiH3 — дисилан, H3Si — SiH2 — SiH3 — трисилан и т. д.) имеют строение, подобноеметану, этану и пропану. Непредельные силаны, соответствующие по строениюуглеводородам этиленового и ацетиленового рядов, в виде индивидуальныхсоединений пока не выделены. Наиболее просто силаны получаются по методу, разработанномув 1883 г. русскими учеными Н. Н. Бекетовым и А. Д. Чириковым. Метод заключаетсяв разложении силицидов металлов минераль­ными кислотами:

Mg2Si+4HCl → 2MgCl2+ SiH4

Силан и дисилан — газы с неприятным запахом. Трисилан Si3H8,тетрасилан Si4H10,пентасилан Si5H12и последующие гомологи – при комнатной температуре летучие жидкости снеприятным запахом. Кремневодороды очень ядовиты. В отличие от углеводородовсиланы – неустойчивые соединения. Они самовоспламеняются, иногда взрываются навоздухе, легко разлагаются щелочами и водой в присутствии следов кислот ищелочей:

SiH4 + 2H2O →SiO2+4H2

Кремневодороды термически мало устойчивы и разлагаются накремний и водород уже при 400 °С:

SiH4 → Si + 2H2

Приэтом получается особо чистый кремний.

Неустойчивость кремневодородов подтверждается тем, чтогомологов выше октасилана Si8H18 выделить в свободном состоянии пока неудалось. Силаны являются сильными восстановителями и энергично окисляютсякислородом:

SiH4 + 2O2 → SiO2+ 2H2O

При взаимодействии силанов с галогенами все атомы водородамгновенно (со взрывом) замещаются атомами галогена. Хлор- и бромпроизводныесиланов образуются и при каталитической обработке их хлороводородом илибромоводородом:

SiH4 + HCl → SiH3Cl + H2

SiH3Cl+ HCl → SiH2Cl2 + H2

SiH2Cl+ HCl → SiHCl2+ H2

SiHCl3 + HCl → SiCl4+H2

Для гомологического ряда предельных углеводородов аналогичнаяреакция с НСl или НВг неизвестна. Соединения кремния сводородом представляют большой научный и практический интерес для химиикремнийорганических соединений. Галогениды кремния получают принепосредственном соединении кремния с галогенами, или галогенированием оксидовв присутствии угля:

SiO2 + 2C + 2Cl2  →SiCl4 + 2CO

В лаборатории хлорирование кремния можно проводить встеклянных трубках, имеющих перетяжки. Реакция идет при небольшом нагревании.Жидкий конденсат собирается в колене трубки. Для очистки конденсат нагреваниемперегоняют в следующее колено трубки.

Бромирование и йодирование можно также проводить в стеклянныхтрубках с перетяжками, но для переноса брома или йода используют газ-носитель,например аргон, азот, оксид углерода (IV). Полученныегалогениды гигроскопичны и легко гидролизуются под действием влаги воздуха,поэтому их запаивают в одном из колен трубки.

Нитридами называют химические соединения азота с различнымиэлементами. Для IV группы характерны нитриды и сковалентной связью, и образованные внедрением атомов азота в кристаллическуюрешетку элемента. Нитриды элементов главной подгруппы очень тугоплавкиевещества, обладающие большой твердостью и теплопроводностью. Нитриды довольнотермостойки при нагревании и обладают относительной химической устойчивостью.

Кремний образует нитрид с кристаллической решеткой, в которойатомы азота связаны с атомами кремния ковалентными связями. Такой нитрид имеетформулу, отвечающую обычной валентности элемента, и может рассматриваться какпроизводное аммиака, в котором атомы водорода замещены на кремний – Si3N4.

Общим способам получения нитридов является непосредственноевзаимодействие веществ с азотом или аммиаком:

3Si + 2N2→ Si3N4

3Si + 4NH3→ Si3N4 +6H2

Реакциюосуществляют при 1000-1200 °С в электрических печах. Применяемые для реакцииазот и аммиак не должны содержать паров воды и кислорода во избежаниезагрязнения нитрида оксидами соответствующих элементов.

Высокая жаропрочность и жаростойкость нитрида кремнияиспользуется при создании сплавов с высокой жаропрочностью для техники высокихтемператур, энергетики и других отраслей. Его исключительная стойкость квоздействию химических реагентов, даже таких, как плавиковая кислота, расплавыщелочей и металлов, в сочетании с огнеупорностью используется в химическойпромышленности. Из него изготовляют футеровку ванн для получения металловэлектролизом расплав­ленных солей, футерованную арматуру, сопла для распылениярасплавленных металлов, тигли для плавки сверхчистых металлов и т. д.

Метакремниевая кислота H2SiO3 и ортокремниевая кислота H4SiO4 – наиболее распространенные из кислоткремния. Метакремниевая кислота получается взаимодействием силикатов с солянойкислотой или хлоридом аммония:

Na2SiO3 + 2HCl →H2SiO3 + 2NaCl

Na2SiO3 + 2NH4Cl→ H2SiO3 + 2NaCl + 2NH3

Свободная метакремниевая кислота известна в виде несколькихформ с переменным содержанием воды. Эта кислота более слабая, чем угольная, онанерастворима в воде, но легко образует коллоидные растворы – золи.Метакремниевая кислота термически неустойчива и при нагревании разлагается:

H2SiO3→ H2O + SiO2

Отщепление воды от нескольких молекул метакремниевой кислотыпроисходит в водном растворе и при комнатной температуре с образованиемпрозрачной студенистой массы – геля кремниевой кислоты. Высушенный гелькремниевой кислоты называют силикагелем.

Силикагель обладает очень большой поверхностью – на 1 гсиликагеля приходится до 400 м2 поверхности – и высокойадсорбционной способностью. Он изготовляется в промышленном масштабе и находитширокое применение для извлечения летучих и пахучих веществ из паров  и газов,очистки минеральных масел и нефти, обесцвечивания жидких органическихпродуктов. Силикагель жадно поглощает воду, и это свойство используется присушке газов и жидкостей. Высококачественные сорта силикагеля, не содержащиепримесей, находят применение в медицинской практике. Свободный от примесейсиликагель получают гидролизом силана SiH4,тетрахлорида кремния SiCl4 икремнийорганических  соединений – тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4и др. Используется силикагель также в качестве носителя катализатора. Введениемзолей кремниевой кислоты в целлюлозные материалы достигается прочность,водонепроницаемость и огнестойкость изделия.

Ортокремниевая кислота получается при гидролизететрахлорида кремния:

SiCl4+4H2O →Si(OH)4+4HCl

По структуре ортокремниевая кислота близка кварцу:атом кремния окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода с присоединенным ккислороду водородом. Соли ортокремниевой кислоты также носят названиесиликатов. Соли щелочных металлов кремниевых кислот растворимы в воде, силикатыдругих элементов нерастворимы. Молекулярная масса свежевыделенной кремниевойкислоты (формула Si(OH)4)около 100 у. е. Через несколько дней молекулярная масса кислоты достигнет 1000у. е. и более. Это объясняется чрезвычайной легкостью самоконденсации кислоты,сопровождающейся выделением воды.

Кремний образует кислотные, амфотерные и основныегидроксиды. Все они нерастворимы в воде. Оксид кремния (IV)и оксиды его аналогов с водой практически не реагируют, поэтому получитькислоты этим способом нельзя.

Силикаты – тугоплавкие и пассивные вещества.Большинство их нерастворимо в воде. Они существуют в газообразном, жидком итвердом виде, а также образуют высокодисперсные, или коллоидные, системы сразмером частиц силикатов от 10 – 6 до 10 – 9 м.Коллоидные системы похожи на растворы, но в отличии от них имеют поверхностьраздела между частицами силикатов дисперсионной средой, т. е. средой в которойрастворено вещество. Примерами коллоидных систем являются халцедоны и опалы.Спектр состава силикатов чрезвычайно широк (алюмосиликаты, гидросиликаты и др.)

Для силикатных минералов нет систематических названий,поэтому названия отражают их внешний вид и свойства. Плагиоклаз в переводе сдревнегреческого «косо раскалывающийся», пироксен — «тугоплавкий». Названиятакже даются по именам людей, открывших эти минералы.

В разное время представления о строении силикатов былиразными. Первой научной теорией была поликремниевая. Она играла важную роль всередине XIX в. – 1920-х гг. Согласно этой теориисиликаты есть соли кремниевых кислот. Все кремниевые кислоты можно задатьформулой n SiO2´ m H2O. Примерами служатметакремниевая кислотаH2SiO3(n=1, m=1), ортокремниевая кислота H4SiO4 (n=1, m=2), дикремниевая кислота H2Si2O5 (n=2 m=1), пирокремниевая кислота H6Si2O7 (n=2, m=2).Соответствующие названия силикаты носят и сейчас, хотя поликремниевая теорияуже не пользуется популярностью.

Из-за коллоидного характера силикатов, их нельзяполучить в чистом виде. Поэтому встает вопрос о солеобразной природе силикатов.Но это не все. Рассмотрим два сходных по строению силиката: жадеит Na Al[Si2O6] и лейцитK Al[Si2O6]. Пополикремниевой теории они являются солями метакремниевой кислоты, а,следовательно, должны обладать сходными свойствами. Но по своей природе это двасовершенно разных вещества. Данная теория не объясняет зависимости междусоставом и свойствами веществ, хотя это является основной ее задачей.

Еще Д.И. Менделеев отмечал недостатки этой теории. Онпредполагал изоморфизм в кристаллах силикатов, т.е. способность атомов замещатьдруг друга в кристаллических структурах. Причем это могут быть атомы не толькоодного типа, но и разных. Так, он проявляется в кристаллах алюмосиликатов, хотяалюминий и кремний – разные по типу атомы. Д.И. Менделеев называл подобныекристаллы «неопределенными соединениями», схожими со сплавами, но это сплавы непростых веществ, а близких оксидов. Полимерные соли кремния существуют не из-засуществования полимерных кислот, а из-за полимеризации соединений кремния.Исследования Д.И. Менделеева сыграли важную роль в формировании взглядов на этупроблему.

/>В 1925-1931гг. У.Л.Брегг исследовал кристаллы алюмосиликатов, в том числе и с помощью рентгена. Онпредложил структурную классификацию силикатов. По его мнению, силикатыпредставляли собой полимерные структуры, состоящие из тетраэдров – оксидовкремния, атомов заместивших его. Соединяются они с помощью атомов кислорода,ставших «общими» для двух тетраэдров. Такие атомы кислорода называютсямостиковыми, а те, что не участвуют в образовании таких связей – немостиковыми. Таким образом, создаются связи Si –- O –- Si или Si–- O – Al. Многообразиесиликатов объясняется различными способами соединения этих тетраэдров.

Брегг предлагал классифицировать силикаты по типамкремнекислородных радикалов:

1. Ортосиликаты [SiO4]4 – Уэтого радикала все атомы кислорода являются немостиковыми.

2. Островные [Si2O7]6–, [Si3O8]6–, [Si4O12]8–. Два кислорода в каждом тетраэдре служат для образования кольца, а двадругих являются не мостиковыми.

3. Изолированные [SiO2]2 – и сдвоенные[Si4O11]6– радикалы образуют бесконечные цепочки

4. Слоистые структуры с радикалами [Si2O5]2 – 

5. Каркасные структуры

Рассмотрим строение ортосиликата натрия. Его формула 2Na2O ´ SiO2. Данный ортосиликат относится к первойгруппе. В нем тетраэдры [SiO4]4 – соединенымежду собой ионами натрия.

Представителями силикатов третьей группы являются пироксены сформулой LiAl[Si2O6]. В них один атом кремния из трех заместился наатом алюминия. Пироксены образуют бесконечные цепочки разного строения (рис.3).Строение цепочки определяет свойства пироксена.

Области применениясоединений кремния

Соли кремниевых кислот чрезвычайно распространены вприроде в виде руд и минералов. Важнейшими силикатами являются алюмосиликаты,на долю которых приходится более половины массы земной коры. Природные силикатыисчисляются многими сотнями представителей. К ним относят кварц, граниты,полевые шпаты, кристаллические сланцы (слюды), асбест.

Кварц – пьезоэлектрик. Где только не находиттехническое применение кристалл кварца в виде пластинки! Например, кварцевыечасы высокой точности служат для «хранения» точного времени, определяемогоастрономическими методами. Точность суточного хода кварцевых часов ±0,001 с.Основной деталью пьезо-кварцевых стабилизаторов длины радиоволн (частоты),преобразователей давления в электрическую величину с точностью ±1,5%,преобразователей электрической энергии в звуковую (громкоговорители и др.) имеханическую (микрофоны, шумопеленгаторы, ультразвуковая механика) являетсяпластинка из кварца.

Характерная особенность кварцевого стекла – высокаятермическая устойчивость. Такое стекло можно сильно нагреть и сейчас жеохладить в холодной воде. Это объясняется тем, что у кварцевого стеклакоэффициент объемного расширения в 25 раз меньше, чем у обычного стекла.Кварцевое стекло прозрачно как для видимого света, так и для ультрафиолетового.Поэтому из кварцевого стекла изготавливают баллоны кварцевых ламп – источникаультрафиолетовых лучей. Специальные медицинские кварцевые лампы применяют дляоблучения ультрафиолетовыми лучами для профилактики гриппа, лечения рахита идругих заболеваний.

Граниты – одна из самых распространенных пород вземной коре – прекрасный строительный и облицовочный материал. Незаменим гранити для монументальной скульптуры. Отполированный до зеркального блеска, онсоздает неповторимую игру вкраплений, а необработанная, шершавая поверхностьсоздает особую выразительность, поглощая свет.

Полевые шпаты – сырье для керамической, фарфоровой,стекольной, цементной и других отраслей промышленности. В строительстве ихприменяют в качестве поделочных материалов. Кристаллические сланцы (слюды)обладают высокой термостойкостью и высокими электроизоляционными свойствами инаходят применение в электротехнике, радиотехнике. Они также используются какзвуко- и теплоизоляционные материалы. Асбест – минерал с волокнистой структурой– теплоизоляционный и огнеупорный материал. Широкое применение находят слоистыеминералы – слюды, тальк, каолинит. Драгоценные и полудрагоценные камни –изумруд, топаз, аквамарин – хорошо образованные кристаллы природных силикатов,окрашенные различными оксидами.

Искусственные силикаты также играют важную роль вжизни человека. Знакомство человека со стеклом – первым искусственным силикатом– произошло за 3500 лет до н. э.

Основной состав оконного стекла Na2´CaO´6SiO2.Од­нако частичная замена натрия, кальция или крем­ния на другие элементыпозволяет получать разнооб­разные сорта стекла. Кварцевое, хрустальное, бутылоч­ное,посудное, электроламповое, зеркальное, пористое (пеностекло), защитное,архитектурно-строительное, све­тотехническое, стекло для световодов истеклосфер, оп­тическое,  лабораторное – вот далеко не полный их перечень.Вводя внутрь стеклянного листа металлическую сетку, получают армированноестекло. Трехслойное стекло (триплекс) изготавливают склейкой листа пленки сдвумя листами стекла.

Издавна человек научился применять химическиесоединения для окрашивания стекла. В древности было известно, что стекло взависимости от примесей может иметь различный цвет: синий (от оксида кобальтаСоО), зеленый (от оксида хрома Сг2O3или оксида меди СuО), фиолетовый (от оксида марганца Мn2O3), розовый(от селена). Применялись и «глушители» (соединения фосфора, мышьяка, сурьмы),придававшие стеклу матовую белизну. Молочное стекло, например, получали,добавляя в стеклянную массу касситерит (оксид олова). Рецепты соединений,интенсивно окрашивающих стекло, сохранялись в строжайшей тайне и передавалисьпо наследству из поколения в поколение.

Цветные стекла не утратили своего значения и в нашидни. Рецептура получения цветных стекол непрерывно расширяется.

В начале XX в. сталиприменяться соединения селена, которые окрашивают стекло в красные, розовые иоранжевые тона. После внедрения в 30-х гг. оксидов редкоземельных элементов впромышленности палитра художественного стекла значительно расширилась – былаполучена недостижимая ранее полутоновая окраска всех цветов спектра.

При фотографических работах требуется красное освещение,поэтому применяют стекла, содержащие  ничтожное количество мелкодисперсногозолота. При медленном охлаждении стекла, мельчайшие частицы золота равномернораспределяются по всей массе расплава. Вкрапленные частицы неразличимы даже вмикроскоп, но окрашивают стекло в интенсивно красный цвет. Такое стекло носитназвание рубинового. Из рубинового стекла сделаны пятиконечные звезды Кремля.Площадь остекления каждой звезды составляет около 6 м2. Интересно отметить,что поверхность звезды состоит из трех слоев: стекла: рубинового, хрустальногои молочно-белого. Верхний слой – рубиновое стекло разных оттенков. Этопозволяет оттенить лучистую форму звезд. Внутренний слой – молочно-белоестекло. В дневное время красное стекло, освещенное снаружи, а не на просвет,кажется почти черным. Прослойка молочного стекла отражает большую частьдневного света, смягчая темноту рубинового стекла. Кроме того, молочно-белоестекло хорошо рассеивает свет ламп накаливания, размещенных внутри звезды.Промежуточный слой – хрустальное стекло – придает остеклению прочность. Ведь навысоте башен Московского Кремля очень сложные атмосферные условия: град,ураганный ветер и т. д.

Введение в стекло оксида алюминия А12О3вместо оксида кремния (IV) придает стеклу повышеннуюмеханическую прочность. Из такого стекла изготавливают специальные бутылки длянасыщенных углекислым газом напитков (шипучих). Они могут выдерживать давлениедо 2´106-3´106 Па. В 1926-1928гг. при разработке промышленного способа получения синтетического каучукасоветский химик С.В.Лебедев исследовал реакцию полимеризации бутадиена СН2= СН—СН = СН2 под давлением. В эти годы в Советском Союзе ощущаласьнехватка в химическом лабораторном оборудовании. В качестве реактораС.В.Лебедев использовал бутылки из-под шампанских вин.

Стекла, защищающие от инфракрасных, ультрафиолетовыхи чрезмерно ярких видимых лучей, получают, вводя различные красители. Такиестекла применяют как защитные приспособления при сварочных работах, вметаллургии и пр. В некоторых случаях ставится противоположная задача – надо непоглощать, а, наоборот, хорошо пропускать те или иные лучи. С этой цельюприменяются увиолевые стекла. Они свободно пропускают ультрафиолетовые лучи,которые поглощаются обычными стеклами. Такими стеклами остекляют окна больниц,санаториев, оранжерей. Из них изготавливают лабораторное оборудование. Дляполучения увиолевого стекла используют известково-натриевые составы. Оксидовжелеза в стекле должно быть не более 0,01%.

Специальные стекла, устойчивые к различного родарадиоактивным излучениям и потокам медленных нейтронов, получают, вводя в ихсостав элементы с высоким порядковым номером – свинец, висмут, вольфрам и др.Стекло, в котором практически отсутствует отражение (невидимое стекло), создалипольские специалисты из г. Зелена Гура. Такие стекла необходимы как в науке итехнике, так и в быту. Например, световые блики и отражения часто мешаютпрочесть надпись за стеклом шкалы прибора, рассмотреть картину и т. д.

Много затрачено сил, времени и средств учеными всего мира длясоздания световодов – стеклянного волокна высокой прозрачности, отражающеголучи света от внутренней поверхности. Луч света, проходя по такому волокну, невыходит за его пределы и может быть использован для передачи информации. Наоснове оптического волокна выпускаются детали приборов для радиоэлектронной,приборостроительной и других отраслей промышленности. Трудно оценитьперспективу использования световодов. Световой жгут для телефонной связиобеспечит 2000 телефонных переговоров одновременно. Можно транслироватьодновременно две цветные телепередачи. С помощью световодов стало возможнымпроводить ранее недоступные медицинские исследования внутренних поверхностейорганов, моделировать нервную систему высших животных и человека. Изстекловодов делают «иглы», используемые для световых микроуколов ядра живойклетки.

Весьма перспективны работы по применению волоконнойоптики в электронно-вычислительных устройствах. Их назвали ОВМ (оптическиевычислительные машины) в отличие от обычных ЭВМ. Благодаря им появиласьвозможность введения в ОВМ прямой информации – речи, изображения, текста и пр.

Кремнийорганические соединения

Химия кремнийорганических соединений представляет собойбольшой раздел современной науки. К числу важнейших химических продуктов,необходимых для народного хозяйства (смазки, смолы, лаки, каучуки и т. д.),относятся мономерные и полимерные кремнийорганические соединения. Первое кремнийорганическоесоединение было получено в 1845 г. французским химиком Ж. Эбельменом.Взаимодействием тетрахлорида кремния и этилового спирта он получил этиловыйэфир ортокремниевой кислоты (тетраэтоксисилан, этилсиликат Si(ОС2Н5)4).Далее были получены четырехзамещенные органические соединения кремния с общейформулой SiR4 и другие соединения.

/>Средиученых господствовало представление о полном сходстве соединений кремния иуглерода. Считалось, что замена атомов углерода в органических соединенияхатомами кремния не приводит к существенному изменению свойств органическихсоединений кремния. В этот период Д.И. Менделеев опубликовал несколько работ похимии кремния и кремнийорганических соединений. Его диссертация на званиеприват-доцента, не утратившая своей ценности до настоящего времени, называлась«О строении кремнеземистых соединений» (1856 г.). Д.И. Менделеев первым изхимиков показал, что кремний в отличие от углерода способен образовывать скислородом продукты полимерной структуры (рис.4). Такие полимеры содержат всвоем составе чередующиеся связи кремний — кислород (силоксановые связи).

Д.И. Менделеев заложил основы химии кремнийорганическихсоединений. Он детально изучил открытую ранее Ж. Эбельменом реакцию образованиятетраэтоксисилана, установил правильное строение этого соединения ичетырехвалентность кремния, а также определил ряд физических констант. Уделяябольшое внимание химии кремнийорганических соединений. Взглядов Д.И. Менделеевана строение кислородных соединений кремния придерживались А.М. Бутлеров,Н.А.Меншуткин и другие русские химики. За рубежом работы Д.И. Менделеева этогопериода были или неизвестны, или непоняты.

В истории развития химии кремнийорганических соединенийведущая роль принадлежит нашей отечественной науке. Началом современногоразвития химии высокомолекулярных кремнийорганических соединений являетсяразработка академиком К.А. Андрияновым с сотрудниками способа синтезакремнийорганических смол (1937 г.) и освоение промышленного производствакремнийорганических полимеров. Сразу резко возрос интерес кэлементоорганическим соединениям этого класса. В настоящее время синтезированонесколько тысяч кремнийорганических соединений, изучены их физико-химическиесвойства, методы синтеза и области их практического применения.

Все кремнийорганические соединения условно разделенына две большие группы — низкомолекулярные и высокомолекулярные соединения. Изних практическое значение получили не кремнийорганические соединения c цепями кремний – кремний (силаны), а соединения, содержащиецепи кремний — кислород (силоксаны). Чем объяснить преимуществакремнийорганических соединений, содержащих силоксановые цепи?

Связь кремния с кремнием в кремнийорганических соединенияхтермически неустойчива. Нагревание соединений, содержащих эту связь, до 200-250°С приводит к их полному разложению. Силоксановая связь отличается высокойтермической стойкостью. В зависимости от состава и строения кремнийорганическихсоединений их термическая стабильность находится в пределах 300-500 °С. Вхимическом отношении связь кремний — кислород значительно устойчивее связикремний — кремний. Она разрушается только при взаимодействии с фтором, сернойкислотой и крепкими щелочами при нагревании.

Кремнийорганические мономерные соединения являются важнейшимиполупродуктами для синтеза кремнийорганических полимеров. Исходным доступнымсырьем для получения кремнийорганических мономерных соединений являютсякремний, кремнезем, кокс, хлор, хлороводород и т. д. Наибольшее распространениеполучили методы получения кремнийорганических мономеров из кремнезема черезтетрахлорид кремния и из кремнезема через элементарный кремний. Структуракремнийорганических полимеров аналогична структуре кварца и силикатов, онитакже обладают большой термической стойкостью. Разница в структурах – наличиеорганических радикалов у кремнийоргакических полимеров, которые придают высокуюэластичность молекуле полимера. Оксид кремния (IV) исиликаты также имеют полимерное строение.

Кремнийорганические мономеры в основном используют дляполучения полимеров, но они находят также и самостоятельное применение. Из нихосновное промышленное значение имеет этиловый эфир ортокремниевой кислоты Si(OC2H5)4(этил-силикат) – связующее вещество при получении цементов, керамики, красящихвеществ. После пропитки этилсиликатом тканей, кож, ваты, бумаги, дерева,асбеста, гипса, бетона и т. д. эти материалы становятся водонепроницаемыми именее горючими. Этилсиликат применяют также для приготовления специальныхклеев. Этиловый эфир ортокремниевой кислоты используют для полученияжаростойких литейных форм в производстве точного литья.

Кремнийорганические жидкости могут быть получены с широкимдиапазоном температур кипения и вязкости. Их вязкость очень мало изменяется винтервале температур от –70 до +250 °С.

Температура замерзания большинства кремнийорганическихжидкостей около –70 °С (иногда –130 °С и ниже), в то время как у нефтяных маселс той же температурой кипения она составляет от –20 до –40 °С.

Полиорганосилоксановые жидкости термически стабильны. Они неизменяют цвета и практически не окисляются кислородом воздуха при длительномнагревании до 200 °С. В атмосфере инертных газов, а также на воздухе вприсутствии ингибиторов они устойчивы и при более высоких температурах.

Кремнийорганические смолы – бесцветные или от желтого докоричневого цвета продукты. Они хорошо растворимы во многих органическихрастворителях, и их растворы используются как лаки. Кремнийорганические смолыобладают исключительно высокой термической устойчивостью и стойкостью кокислению.

Ранее использовали различные способы повышения водостойкостиматериалов путем нанесения на их поверхность защитных покрытий или пропиток.Однако подавляющее большинство предложенных составов имели существенныенедостатки: одни изменяли внешний вид обрабатываемой поверхности, другиеухудшали физико-химические и механические свойства обрабатываемого материалаили значительно увеличивали его массу; пористые материалы становились воздухонепроницаемымии т. д.

В настоящее время найдена лишенная этих недостатковвозможность повышения водостойкости материалов, заключающаяся в обработкепоследних различными кремнийорганическими соединениями. Обработанныекремнийорганическими соединениями материалы не смачиваются ни водой, ни воднымирастворами. Пористые материалы после обработки кремнийорганическнмисоединениями перестают впитывать в себя воду, а их воздухопроницаемость приэтом практически не изменяется. Такое действие кремнийорганических соединенийобусловлено появлением на поверхности обработанного материала тончайшейполимерной пленки толщиной 3´10–6  см.

Водоотталкивающие свойства можно придать бумаге введениемкремннйорганической жидкости непосредственно в бумажную массу передизготовлением из нее бумаги (проклейка бумаги). Такая бумага удерживает наповерхности чернильные штрихи без пропускания чернил на оборотную сторону и безрастекания их по ее поверхности. Текстильные ткани, пропитанные кремнийорганическимижидкостями, становятся непромокаемыми, к ним не пристают чернила и другиежидкости. Вода на поверхности такой ткани собирается в виде шариков и стекает снее. Даже струя воды не смачивает обработанную кремнийорганикой ткань.

Широко применяют кремнийорганические жидкости в качествесмазок самого различного назначения. Они обеспечивают длительную работу машин имеханизмов как при низкой (до –70°С), так и при высокой (до +260 °C) температуре. Замечательной особенностьюкремнийорганических соединений – масел – является постоянство вязкости вшироком интервале температур. Испытания кремнийорганических жидкостей наподопытных животных, а затем и на людях показали, что они безвредны. Поэтомукремнийорганические жидкости стали использовать для приготовления кремов, мазейи других косметических препаратов. В литературе имеются указания на возможностьиспользования кремнийорганических жидкостей в качестве растворителей, лекарств,применяемых для внутримышечного вливания, и в качестве среды для стерилизациихирургических инструментов. В последнем случае инструмент во время стерилизацииодновременно и смазывается.

Интенсивно расширяется сфера применения кремнийорганическихсмол, лаков и каучуков. Высокая теплостойкость кремнийорганических смол,устойчивость к действию влаги, кислорода, озона, солнечного света, а такжевысокие защитные свойства и диэлектрические характеристики кремнийорганическихлаковых пленок обеспечили их широкое применение в хозяйстве. Из каучуковспециального назначения большой интерес представляют кремнийорганическиекаучуки, ставшие незаменимыми во многих областях современной техники.Характерными свойствами, выгодно отличающими полиоргано-силоксановые каучуки отуглеводородных, являются термо- и морозостойкость, высокие изоляционные идиэлектрические свойства, химическая стойкость и многие другие.

Кремнийорганические каучуки нашли также применение в качестветермостойких клеев для склеивания стекла, стали, алюминия, латуни и т. п., атакже для склеивания каучуков и резин друг с другом. Синтетическийкремнийорганический клей при сборке крупных металлических сооружений заменяетзаклепки, позволяет обходиться без сварки деталей. В городе Брно (Чехословакия)построен мост, детали которого скреплены с помощью этого клея. В настоящеевремя разработаны новые виды кремнийорганических каучуков сбензомаслостойкостью, сохраняющие эти свойства как при низких, так и привысоких температурах.

В человеческом организме кремний содержится повсеместно, нобольше всего – в костях, коже, соединительной ткани, а также в некоторыхжелезах. При переломах костей содержание кремния в месте перелома повышаетсяпочти в 50 раз. Минеральные воды с высоким содержанием кремния оказываютблаготворное влияние на здоровье людей, особенно пожилых. С возрастомсодержание кремния в организме существенно уменьшается, поэтому у пожилых людеймедленнее срастаются сломанные кости.

Но, с другой стороны, давно известно серьезное заболевание –силикоз, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокиськремния. Некоторые кремнийорганические соединения оказались токсичными для всехтеплокровных организмов.

Кремниевая жизнь

Еще нескольколет тому назад американский профессор астрономии Том Голд высказал убеждение втом, что внутри Земли могла зародиться жизнь, основанная на кремнии и неимеющая ничего общего с привычными нам формами организмов. Научный мир отнессяк его гипотезе прохладно. А сегодня уже открыто и абсолютно доказаносуществование на Земле кремниевой формы жизни.

Уникальныйматериал, подтверждающий наличие кремниевой формы жизни на Земле, которую автороткрытия назвал Крей, опубликован А.А. Боковиковым. Его открытие было изучено вТомском отделении минералогического общества РАН (ТОМО РАН) и получилоположительное заключение. К докладу прилагались 24 цветные фотографии, накоторых можно было видеть различные этапы развития агатов и даже «рождение»маленького агатика.

В течение семилет А. Боковиков собирал и исследовал агаты – не мертвые камни, а, как былодоказано им, живые организмы со многими признаками, свойственными белковойформе жизни, в частности:

Ø Четко выраженная анатомия кремниевых организмов

Ø Наличие полов

Ø Размножение семенами и отпочкованием

Ø Внутрикаменное развитие зародыша

Ø Наличие кожи

Ø Линька кожи

Ø Регенерация кожи

Ø Залечивание ран, трещин, сколов

Ø Кристаллическое тело – хранилище наследственной информации

Чрезвычайноинтересны наблюдения автора. Агат имеет четко выраженную анатомию: на цветныхфотографиях, сделанных в ходе исследований, хорошо видно кожу, полосатое тело,кристаллическое тело. В данном случае кожей названа внешняя оболочка; полосатоетело – это мужское тело, а кристаллическое – женское. Последние — это, поутверждению автора, гены агатов. Причем наличие полов в крее определеноисследователем с большой достоверностью. Так, возникновение и развитиезародышей агата происходит только в кристаллическом теле и никогда полосатом.Автор предположил, что вокруг яйцеклетки, как и других биологических структур,существует биополе. Одна из разновидностей биополя – лазерное поле, способноеизлучать не только свет, Нои звук. На акустические колебания клетка накладываетгенетическую информацию, которая может осуществить партеногенез, т. е. половоеразмножение без оплодотворения яйцеклетки. Способностью звука переноситьгенетическую информацию объясняется и появление зародышей кремниевых организмоввнутри целого и монолитного куска базальта. При повреждении поверхности агатапоявившиеся царапины и трещины вскоре затягиваются, сколы разравниваются, хотяот них остаются следы.

Другиеисследования показали, что глины тоже обладают признаками жизни. Л. Койн изКалифорнийского университета в Сан-Хосе нашла, что каолинитовые глины могутсобирать энергию, которая выделяется при радиоактивном распаде, из окружающейсреды, сохранять ее и высвобождать в тех случаях, когда структура глинынарушается определенным образом, например при ее смачивании или высушивании.

Но это не все.Были обнаружены морские губки, образующие колонии на большой глубине. Их основа– кремниевые полимеры. Эти губки растут, питаются и размножаются без привычныхдля нас белковых структур. То, что эти организмы развивались на глубине, т. е.под давлением, и практически без света, доказывает особенность кремниевойжизни. Для других морских организмов – радиолярий, диатомей, морских звезд –диоксид кремния составляет основу скелета. Растениям кремний придает прочность,так как входит в состав механической ткани. Чем жестче стебель растения, тембольше кремния находят в его золе.

Встает вопрос:а имеет ли крей перспективу развития на Земле? Ведь существующие кремниевыеформы жизни находятся на сравнительно низкой ступени эволюции, в то время какнаша планета заселена развитыми белковыми существами. Я считаю, что этовозможно, так как крей имеет другие состав и структуру, и, следовательно, кремниеваяжизнь вообще не будет конкурировать с белковой. У них будут разные местаобитания, пища. Но, возможно, крей не сможет развиваться в земных условиях, итогда вопрос о конкурентоспособности отпадает.