Страница 24 из 83
В небольших количествах кремний входит также в состав живых организмов, а некоторые микроорганизмы используют растворенную в океане кремниевую кислоту для постройки своих крошечных скелетов. В организме человека кремния менее 0,1 процента, и его биологическая роль пока неясна.
Атом кремния так же, как и атом углерода, четырехвалентен. Это значит, что он может присоединить четыре одновалентных атома, например водорода или фтора.
Сравнительно большая химическая активность кремния приводит к тому, что элемент не может находиться в природе в свободном состоянии.
Наиболее удачно сочетаются электронные оболочки атома кремния и двух атомов кислорода, образуя двуокись кремния. Это очень тугоплавкое, твердое, химически малоактивное вещество. Двуокись кремния встречается в природе в различных видах. Чаще всего это белые кварцевые жилы, прорезающие более мягкие минералы, или продукт выветривания горных пород — белый кварцевый песок.
Реже встречаются различные красиво окрашенные примесями разновидности кварца: яшма, агат, халцедон, тридимит, кристобалит.
Обычно кварц состоит из множества сросшихся между собой белых полупрозрачных кристалликов. Он очень прочен — прочнее многих других минералов. При выветривании горных пород кварц разрушается последним, образуя «останцы» кварцевых жил; продукт их разрушения — кварцевый песок — часто содержит золото (золотой песок и даже самородки весом до нескольких килограммов). Особенно прочны натечные формы кварца — яшма и агат. Из яшмы и агата изготовляют красивые украшения и некоторые технические детали: химические ступки, призмы для точных весов, камни для часов и измерительных приборов.
Довольно часто встречаются в природе большие прозрачные кристаллы кварца — горный хрусталь. Один из найденных на Мадагаскаре имел в длину 8 метров.
Раньше горный хрусталь служил лишь украшением, но сейчас ученые раскрыли многие замечательные свойства этого красивого минерала, и применение его в науке и технике очень широко. Если изгибать пластинку, вырезанную из кристалла горного хрусталя в определенном направлении, на ее плоскостях появляются электрические заряды. Благодаря этому свойству кристаллы хрусталя называют пьезоэлектрическими. Такими же свойствами обладает не только кварц, но и другие вещества, например сегнетова соль. Но в кварце они очень удачно сочетаются с исключительными механическими свойствами. Он очень прочен и упруг. Если изготовить из кварца камертон и поместить в вакуум, он может колебаться часами. Температура на кварц почти не действует, его коэффициент расширения ничтожно мал.
Если к плоскостям кварцевой пластинки, покрытым слоем металла, подвести переменный ток, она придет в колебательное движение. Колебания усилятся, когда наступит резонанс, частота электрического поля сравняется с частотой ее свободных колебаний. Кварцевые пьезоэлектрические пластинки очень широко применяются в технике. С их помощью стабилизируется длина волны радиостанций, получается ультразвук. Пьезокварцевые пластинки используются для создания сверхточных «кварцевых» часов, для измерения огромных давлений, возникающих, например, в стволе орудия.
Ученые установили, что кварц прозрачен не только для видимых лучей, но хорошо пропускает ультрафиолетовые лучи. Поэтому из кристаллов горного хрусталя изготовляют детали точнейших оптических приборов — линзы и призмы.
Двуокись кремния — простейшее, но не самое распространенное в природе его соединение. Гораздо большее количество кремния входит в состав минералов, составляющих основу земной коры: базальта, гранита, гнейса и других.
Многие содержащие кремний минералы широко используются человеком. Совершенно незаменимы по своим свойствам слюда и асбест. Кристаллы слюды легко расщепляются на тонкие пластинки. Ее применяют для изготовления различных нагревательных элементов, высококачественных электрических конденсаторов, тончайших окошек счетчиков заряженных частиц, применяемых в атомной физике. В древности, когда люди еще не умели делать оконное стекло, в окна вставляли пластинки слюды.
Асбест — белый волокнистый минерал, прекрасный тепловой и электрический изолятор, выдерживающий температуры выше 1000 градусов. Из асбеста изготовляют огнеупорный картон и несгораемую ткань, смесь асбеста с цементом — асбоцемент — прекрасный строительный материал, сочетающий прочность цемента и эластичность асбеста.
Долгое время ученым не удавалось получить достаточно чистый кремний и исследовать его свойства. Сейчас с помощью перегонки в вакууме и другими методами получают кремний чистотой до 99,999 процента и выше. Чистый кремний образует твердые кристаллы серо-стального цвета, расположение атомов в которых такое же, как и у алмаза. Но алмаз — хороший изолятор, а кремний — полупроводник. Сверхчистый кремний незаменим для изготовления солнечных фотоэлементов, имеющих высокий коэффициент полезного действия.
Кремниевый солнечный фотоэлемент — это металлическая пластинка, покрытая тончайшим, полупрозрачным слоем кремния. Солнечный свет выбивает из атомов кремния электроны, которые создают электрический ток. «Солнечные» батареи кремниевых фотоэлементов снабжают электроэнергией космические корабли.
Из кремния изготовляют полупроводниковые диоды и триоды. Они применяются в радиотехнике для приемников, усилителей, радиолокаторов и различных приборов.
При обычной температуре кремний — инертное вещество. При нагревании же он соединяется почти со всеми элементами. Наиболее важны его природные соединения — минералы, о которых мы рассказали, и многочисленные соли кремниевой кислоты H2SiO3. Эта очень слабая кислота образует в воде не обычный, а так называемый коллоидный раствор. Коллоидный раствор — это очень тонкая взвесь: на свет он выглядит мутным, но не оседает, потому что частички растворенного вещества очень малы. Почти все соли кремниевой кислоты нерастворимы в воде. Некоторые из них — полевые шпаты — широко распространены в природе. Хорошо растворяется только натриевая соль кремниевой кислоты Na2SiO3. Ее раствор в воде называют жидким стеклом и используют для изготовления клея и как огнезащитный состав для пропитки тканей и дерева.
Не будь кремния — не было бы и стекла. Теперь известно много различных сортов стекол.
Обычное стекло (оконное, бутылочное) — сложная соль кремниевой кислоты Na2CaSi6O14 или Na2O·CaO·6SiO2. Его изготовляют в огромных печах, сплавляя песок SiO2, известняк CaCO3 и соду Na2CO3. Примеси железа часто окрашивают такое стекло в желто-зеленый цвет. Если необходимо получить окрашенное стекло, то добавляют в расплав различные примеси — кобальта для синего цвета, хрома для зеленого и т. д. Для получения декоративного стекла с сильным блеском («хрустального») добавляют к составу соли свинца.
Обычное стекло имеет один большой недостаток: оно легко бьется при ударах и трескается при неравномерном нагревании. Наша промышленность выпускает для автомобилей специальное закаленное небьющееся стекло. За счет закалки наружный слой этого стекла сильно сжат, а внутренний — растянут. Поэтому оно прочнее обычного стекла, а если все-таки разбивается, осколки получаются тупыми.
Для изготовления химической посуды используют термостойкий сорт стекла «пирекс», а для работы при особо высокой температуре — кварцевое (чистый SiO2). Оно почти не расширяется при нагревании, поэтому его можно раскалить докрасна и опустить в холодную воду — оно не треснет. В некоторые сорта стекла легко впаиваются металлические проволочки — его используют для изготовления электроламп и радиоламп.