КРЕМЕНЬ

Насыщенные растворы кремниевых кислот ортокремниевые и олигокремниевые

НЕ ЗАБЫТЬ, НЕ ВЫЧЕРКНУТЬ

Кремний вырисовывается в мироздании как элемент, обладающий исключительным значением.

В.И. Вернадский

Двуокись кремния, встречающаяся в природе в виде минералов кварца и значительно реже тридимита и кристобалита, построена лишь из кремнекислородных тетраэдров, образующих трехмерный каркас. Она является пространственным неорганическим полимером, что резко отличает ее от газообразного аналога двуокиси углерода С02. Растворимость кварца при обычной температуре очень мала 0,0005%. Так, спрашивается, может ли кремень при нормальных условиях передать в воду кремний в количествах, позволяющих называть АКВ кремниевой водой? Разумеется, нет.

Вот почему мне пришлось знакомиться с тридимитом и кристобалитом, которого есть немного в кремне.

Насыщенные растворы кремниевых кислот образуются в природе за счет растворения в воде аморфного кремнезема. Однако их содержание в таких растворах невелико при 25°С лишь 0,01% (из расчета на двуокись кремния).

Ортокремниевые и олигокремниевые кислоты очень неустойчивы и легко конденсируются с выделением воды и образованием поликремниевых кислот, в конечном счете гидратированной двуокиси кремния. Эти соединения могут образовывать в воде коллоидные растворы (золи). Последние состоят из мельчайших частиц гидратированного кремнезема, связанного с ионизированной кремниевой кислотой. Молекулярная масса этих частиц близка к 1500. Золи легко превращаются в гели (студенистые осадки).

В активированной кремнем воде, на самом кремне и на стенках сосуда, можно отметить какие-то гели и золи, но они состоят из всех избыточных веществ, которые образуются и выпадают при структурировании воды. Сама же вода остается чистой и прозрачной.

Чтобы всем стало понятно, что кремень смесь природных силикатов, являющихся неорганическими полимерами, построенными из повторяющихся кремнекислородных (силоксановых) связей кремний кислород, которые чередуются и с атомами других элементов, целесообразно остановиться на самом кремнии (силициуме) и его соединениях, в том числе и органических, содержащих связи атомов кремния с атомами углерода. Последние по своим свойствам резко отличаются от природных кремнезема и силикатов.

В химических лабораториях еще в середине прошлого столетия их уже начали синтезировать. Длительное изучение органических соединений кремния привело к появлению нового поколения полимерных кремнийорганических материалов. Эти полимеры, называемые полиоргансилоксанами, или силиконами, нашли повсеместное практическое применение от космонавтики и электротехники до пищевой промышленности, медицины и косметики.

Общеизвестно, что древние народы хорошо знали и ценили такие удивительно красивые соединения кремния, как горный хрусталь, а также драгоценные, полудрагоценные и поделочные камни окрашенные разновидности кварца (аметист, морион, цитрин), гидратированного кремнезема (агат, оникс, сердолик, халцедон, яшма) и некоторых силикатов (аквамарин, амазонит, берилл, гранат, изумруд, Лабрадор, лазурит, нефрит, турмалин, топаз, хризолит и др.).

Благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам кварц оказался неоценимым материалом для изготовления стабилизаторов частоты радиоволн и высокоточных часов.

Задолго до нашей эры стал известен замечательный неорганический полимер асбест. Позднее он применялся для изготовления несгораемых фитилей и одежды. В наши дни области использования асбеста чрезвычайно разнообразны. Широко применяются в технике такие силикатные материалы, как слюда и тальк. Первая в электрических аппаратах и устройствах, работающих при высоких температурах, а тальк в качестве наполнителя в парфюмерно-косметической, бумажной и резиновой промышленности, а также как кислотно-огнеупорный, электроизоляционный и смазочный материал.

Около шести тысяч лет тому назад родился первый искусственный неорганический полимер один из наиболее замечательных и универсальных материалов, созданных человеком, силикатное стекло. И поныне этот необычайно распространенный химический продукт с каждым днем находит все новые и новые области применения.

Огромное множество всевозможных полезных веществ из кремня открывает новую эру его применения во благо человеческой цивилизации. Изучение его строения и свойств, создание на базе феномена кремня всевозможных материалов, технологий и устройств задача передовой науки Беларуси, которая была раньше именно таковой. Хорошо еще, что остались ученые, понявшие сразу, что кремень заключает в себе множество неразгаданных тайн, которые им предстоит разгадать и поставить на службу человечеству.

А ведь если вспомнить образование кремней, то следует особо отметить и стадии цеолитизации. В последнее время приобрели практическую значимость алюмосиликаты цеолиты, нашедшие применение в качестве адсорбентов, ионообменников, катализаторов и молекулярных сит.

Кремний и такие бинарные соединения, как силициды (ферро- кремний, карбид кремния и др.), нашли широчайшее применение в металлургии, при абразивной обработке материалов и во многих других отраслях современной промышленности. Особое внимание привлекает нитрид кремния, отличающийся механической прочностью при высоких температурах и устойчивостью к тепловому удару.

Чистый кремний (содержание примесей в нем может быть снижено до 10-10%) стал важнейшим полупроводниковым материалом, основой транзисторов, термисторов и фотоэлементов. Изготовленные из него атомные и солнечные батареи открыли новые возможности практического использования энергии нашего дневного светила как на Земле, так и в космосе.

Применение сверхчистого кремния в полупроводниковых устройствах произвело революционный переворот в радиотехнике, вычислительной технике и информатике.

Здесь необходимо сделать отступление и отметить, что чистый кремний требует доработки, чтобы удовлетворить указанным приложениям. Возникает вопрос: а нельзя ли для этих целей использовать природный кремень определенных разновидностей?

Уже первые поисковые исследования показали, что с помощью кремня и воды возможно получать устойчивую электродвижущую силу, превосходящую по сигналу гальванические пары. Кроме того, с помощью воды выявлены закономерные структуры на поверхности кремня при рассмотрении ее под электронным микроскопом.

Чрезвычайно широкий диапазон полезных качеств кремнийорга- нических соединений объясняется тем, что в них удалось объединить два антипода: кремний важнейший элемент неорганического и углерод, являющийся основой всего живого. Благодаря этому полимерные кремнийорганические соединения сочетают лучшие свойства силикатов (тепловая и химическая устойчивость) и органических высокомолекулярных соединений (эластичность, растворимость и т.д.), не обладая в то же время недостатками тех и других.