 |
сделать стартовой |  |
в избранное |
 |
||||||||||
|
| №24август 2008Элемент |
| Скелет земной коры |
| epps.ru / Архив номеров / №24 август 2008 / Скелет земной коры |
| Весь мир вокруг нас, любое его проявление, имеет свой фундамент. Все сущее зиждется на своей основе. Плоть наша крепко лежит на костях. Дерево произрастает из корней своих. В истоках всего царства живого лежит углерод. Ну, а твердь земли-матушки — это кремний. Кремния у нас очень много. Земная кора, по различным оценкам, на 25—30 процентов состоит из кремния. Цифра огромная, лишь один элемент — кислород, присутствует на нашей планете в еще большем количестве. Но хоть кремний и занимает в природе второе место по распространенности, в чистом виде его можно получить только в лаборатории, рукотворным, так сказать, методом. Впервые свободный кремний выделили французские ученые Жозеф Луи Гей-Люссак и Жак Тернар. Было это, по историческим меркам, не так давно, в 1811 году. Однако химия такая наука, где мало просто открыть новый элемент. Надо должным образом описать его химические и физические свойства, определить его в нужную группу, и много чего еще сделать, прежде чем ученое сообщество признает: «Да, действительно. Открытие сие место быть имело и пользу науке превеликую принесло». Французы, по неизвестной нам причине, работу такую не проделали. Постарался за них шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус, он дал и название новому элементу — силиций. Русское название кремний, от греческого kremnos — гора, было предложено в 1834 году русским химиком Германом Ивановичем Гессом. Так и повелось, у них — силиций, у нас — кремний. Берцелиус получил аморфный кремний, который выглядел как серый порошок. Существует также и кристаллическая форма кремния — темно-серое блестящее вещество, очень твердое и хрупкое. Но, как было сказано, в природе мы не встретим ни кристаллический кремний, ни аморфный. В природе мы встретим оксид кремния — кремнезем, который тоже, что интересно, бывает и аморфным и кристаллическим. Аморфный кремнезем мы называем кремнем. Камешек невзрачный, особой прочностью не отличающийся, но сыгравший, тем не менее, огромную роль в истории человечества. Главное достоинство кремня — способность образовывать на сколах очень острые кромки. Наверное, первый кремневый осколок, порезавший палец какому-нибудь нашему доисторическому предку, был подобен яблоку, упавшему на голову Ньютону. Ньютон открыл закон всемирного тяготения, а дремучему кроманьонцу пришло в голову, что «каменный зуб» будет поопасней звериных клыков и когтей. Сначала человек просто раскалывал кремневый булыжник, лишь минимально обрабатывая полученные острые обломки — то была эпоха палеолита, эпоха грубых каменных рубил и скребков. Потом дело дошло до филигранной обработки кремневых осколков — появились и миниатюрные, но смертельные наконечники для стрел, и ножи с остротой бритвенного лезвия. Настало время неолита, продлившееся до тех пор, пока кремень не был вытеснен бронзой. Кристаллический кремнезем — это, прежде всего тот самый чистый белый песочек, на котором так хорошо загорается на берегу моря. Во вторых, — это кварц, очень твердые и тугоплавкие кристаллы, встречающиеся в горных породах во всех уголках нашей планеты. Сам по себе кварц бесцветен, но из-за внутренних дефектов зачастую бывает белого цвета. Кроме того, в составе кварцевых кристаллов могут быть различные примеси, придающие им самую разнообразную окраску. Бывает дымчатый кварц, желтый, серый, бывает и просто черный. Для некоторых цветных разновидностей кварца существуют свои названия. Например, кристаллы, где белые слои чередуются с цветными, называются агатом. Прозрачные желтые кристаллы — цитрин. Аметист — разновидность кварца фиолетового цвета различных оттенков, от светло-сиреневого до почти черного. Прозрачный и чистый кварц без всяких примесей называют горным хрусталем. По сути дела и горный хрусталь, и кремень — это один и тот же диоксид кремния, но почувствуйте разницу! Хрустальный кубок отличается от кремневого булыжника так же, как ограненный бриллиант отличается от куска угля. Нет слов, что горный хрусталь очень ценился и ценится, и в силу своей необыкновенной красоты, и в силу своей необычайной прочности. С древнейших времен из него делали и украшения, и вазы, и чаши и много чего еще. Самые, пожалуй, известные из таких поделок — это хрустальные черепа, которые находят в Тибете и Центральной Америке. В музеях мира находится, по разным данным, от 13 до 21 таких изделий, особой же популярностью пользуется череп, найденный в 1927 году на территории Белиза, где проводились раскопки развалин города майя Лубаантум. Этот «Череп из Лубаантума», целиком вырезанный из куска горного хрусталя, до сих пор ставит в тупик ученых и исследователей. Хрусталь очень тверд. В природе существует только три минерала, превосходящие хрусталь по твердости — топаз, корунд и алмаз. До сих пор остается непонятным, каким образом индейцы, по уровню развития находящиеся в каменном веке, смогли провести такую невероятно сложную работу. Энтузиастами было подсчитано, что для шлифовки такого изделия вручную, при отсутствии современных технологий, потребовалось не менее 300 лет. Единственное разумное, что приходит здесь в голову, — предположить, что работа над таким произведением искусства велась многими людьми в течении поколений. Подобно тому, как в средние века зодчий закладывал фундамент храма, а заканчивали постройку его внуки и правнуки. Как бы то ни было, увлечение наших пращуров хрустальными вазами и черепами негативно сказалось на мировых запасах горного хрусталя. Можно даже сказать, что в наше время его практически не осталось. И это при том, что только сейчас хрусталь приобрел наибольшую ценность, и не как поделочный материал, а как необходимый компонент в современной технике. Горный хрусталь — пьезоэлектрик. Если взять тонкую пластинку хрусталя и изгибать ее, то на ее поверхности будут образовываться электрические заряды. Этот эффект широко используется в радиотехнике, и с развитием промышленности, потребность в кварце только возрастает. К счастью, был найден способ выращивать искусственные кристаллы кварца, и теперь за будущее радиоэлектроники волноваться не приходится. Горный хрусталь весьма напоминает стекло, и это не случайно. Диоксид кремния, которым является хрусталь, — главный компонент в стекольном производстве. Обычное стекло имеет довольно сложную формулу и получается при сплавлении кварцевого песка, соды и извести. Но стекло можно получить и на основе одного кремния, с примесью только кислорода. Для получения такого плавленого кварца, или кварцевого стекла, используют кремнезем повышенной чистоты — тот же горный хрусталь, кварцит или синтетическую двуокись кремния. Иногда кварцевое стекло можно встретить и в природе — если в чистый кварцевый песок ударит молния. Коэффициент расширения кварцевого стекла в двадцать пять раз меньше чем у обычного. Это значит, что такое стекло можно подвергать таким температурным нагрузкам, при которых стекло обыкновенное просто лопнет, разлетится на осколки. Что будет, если поставить стеклянную тарелку на открытый огонь? Или налить в стакан холодной воды и тут же погрузить его в кипяток? Житейский опыт подсказывает, что обычная стеклянная посуда таких издевательств не выдержит. Другое дело посуда из кварцевого стекла. Такую прозрачную кастрюлю или сковородку можно безбоязненно ставить на кухонную газовую конфорку, ну а в химических лабораториях «кварцевые» колбы и пробирки используются уже больше ста лет. Еще одно интересное свойство кварцевого стекла — способность беспрепятственно пропускать ультрафиолетовое излучение. Все мы видели «кварцевые лампы», источники ультрафиолета, широко используемые в медицине. Называют их так не потому что, как считают некоторые, «там какой-то кварц светится». Светится в этих лампах смесь газов, а вот колба лампы сделана как раз из кварцевого стекла. Ультрафиолетовые лучи не задерживаются стенками такой лампы и с одинаковым успехом могут стерилизовать помещение, убивать бактерии в носу или придавать коже ровный загар. Линзы для оптических приборов тоже чаще всего делают из кварцевого стекла. Такая оптика отличается лучшим светопропусканием, меньшим показателем преломления и не меняет свои характеристики при изменении температуры окружающей среды. В периодической таблице элементов кремний занимает место прямо под углеродом. В природе это проявляется тем, что кремний, как и углерод способен создавать из своих атомов длинные молекулярные цепочки. А если в молекуле будет соединены и атомы кремния и атомы углерода, то это соединение мы назовем кремнийорганикой. Впервые кремнийорганическое соединение было получено еще в 1845 году, а в настоящее время кремнийорганика — это и отдельная научная дисциплина, и отрасль промышленности. Особый интерес представляют кремнийорганические соединения, содержащие кислород — именно они подразумеваются под всем известным словом силикон. Из силикона делают самый теплостойкий и морозоустойчивый синтетический каучук. Эта силиконовая «резина» сохраняет свою эластичность при температурах от –80 до +260°C и при этом обладает высокими электроизоляционными свойствами. Смазки на основе кремнийорганики выдерживают еще более жесткие температурные условия, и могут не замерзать при температурах до –100°C. Ткань, пропитанная силиконовыми соединениями становится, непромокаемой, жидкость будет просто скатываться с нее, как с гуся вода. Лаки, пластмассы, крема, мази, искусственные женские груди — все это далеко не полный список областей применения силикона. Ну а что же сам кремний? Существует ли применение силицию в чистом виде? Идеально чистый кремний, если бы его можно было получить, должен был бы быть идеальным электроизолятором. А вот не идеальный, но сверхчистый кремний, является важнейшим для электронной промышленности полупроводником. За прошлый век были выпущены миллионы и миллиарды транзисторов, и все они были созданы на основе кремния. С началом же эпохи компьютеров, важность полупроводников и, соответственно, кремния повысилась многократно. Именно с тех пор, у человека, знакомого с компьютерной техникой, слово кремний ассоциативно вызывает образ микросхемы, и наоборот. Даже долина Санта-Клара в Калифорнии, где сосредоточены все крупнейшие в мире предприятия полупроводниковой индустрии, и которая стала символом высоких технологий, получила название Силиконовой (читай — кремниевой) Долины. Тут уж всем прямо из названия понятно: нет кремния — нет полупроводников, нет полупроводников — нет компьютеров, а нет компьютеров — нет, как говорится, и мультиков. Кремния у нас очень много. Земная кора, по различным оценкам, на 25—30 процентов состоит из кремния. Цифра огромная, лишь один элемент — кислород, присутствует на нашей планете в еще большем количестве. Но хоть кремний и занимает в природе второе место по распространенности, в чистом виде его можно получить только в лаборатории, рукотворным, так сказать, методом. Впервые свободный кремний выделили французские ученые Жозеф Луи Гей-Люссак и Жак Тернар. Было это, по историческим меркам, не так давно, в 1811 году. Однако химия такая наука, где мало просто открыть новый элемент. Надо должным образом описать его химические и физические свойства, определить его в нужную группу, и много чего еще сделать, прежде чем ученое сообщество признает: «Да, действительно. Открытие сие место быть имело и пользу науке превеликую принесло». Французы, по неизвестной нам причине, работу такую не проделали. Постарался за них шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус, он дал и название новому элементу — силиций. Русское название кремний, от греческого kremnos — гора, было предложено в 1834 году русским химиком Германом Ивановичем Гессом. Так и повелось, у них — силиций, у нас — кремний. Берцелиус получил аморфный кремний, который выглядел как серый порошок. Существует также и кристаллическая форма кремния — темно-серое блестящее вещество, очень твердое и хрупкое. Но, как было сказано, в природе мы не встретим ни кристаллический кремний, ни аморфный. В природе мы встретим оксид кремния — кремнезем, который тоже, что интересно, бывает и аморфным и кристаллическим. Аморфный кремнезем мы называем кремнем. Камешек невзрачный, особой прочностью не отличающийся, но сыгравший, тем не менее, огромную роль в истории человечества. Главное достоинство кремня — способность образовывать на сколах очень острые кромки. Наверное, первый кремневый осколок, порезавший палец какому-нибудь нашему доисторическому предку, был подобен яблоку, упавшему на голову Ньютону. Ньютон открыл закон всемирного тяготения, а дремучему кроманьонцу пришло в голову, что «каменный зуб» будет поопасней звериных клыков и когтей. Сначала человек просто раскалывал кремневый булыжник, лишь минимально обрабатывая полученные острые обломки — то была эпоха палеолита, эпоха грубых каменных рубил и скребков. Потом дело дошло до филигранной обработки кремневых осколков — появились и миниатюрные, но смертельные наконечники для стрел, и ножи с остротой бритвенного лезвия. Настало время неолита, продлившееся до тех пор, пока кремень не был вытеснен бронзой. Кристаллический кремнезем — это, прежде всего тот самый чистый белый песочек, на котором так хорошо загорается на берегу моря. Во вторых, — это кварц, очень твердые и тугоплавкие кристаллы, встречающиеся в горных породах во всех уголках нашей планеты. Сам по себе кварц бесцветен, но из-за внутренних дефектов зачастую бывает белого цвета. Кроме того, в составе кварцевых кристаллов могут быть различные примеси, придающие им самую разнообразную окраску. Бывает дымчатый кварц, желтый, серый, бывает и просто черный. Для некоторых цветных разновидностей кварца существуют свои названия. Например, кристаллы, где белые слои чередуются с цветными, называются агатом. Прозрачные желтые кристаллы — цитрин. Аметист — разновидность кварца фиолетового цвета различных оттенков, от светло-сиреневого до почти черного. Прозрачный и чистый кварц без всяких примесей называют горным хрусталем. По сути дела и горный хрусталь, и кремень — это один и тот же диоксид кремния, но почувствуйте разницу! Хрустальный кубок отличается от кремневого булыжника так же, как ограненный бриллиант отличается от куска угля. Нет слов, что горный хрусталь очень ценился и ценится, и в силу своей необыкновенной красоты, и в силу своей необычайной прочности. С древнейших времен из него делали и украшения, и вазы, и чаши и много чего еще. Самые, пожалуй, известные из таких поделок — это хрустальные черепа, которые находят в Тибете и Центральной Америке. В музеях мира находится, по разным данным, от 13 до 21 таких изделий, особой же популярностью пользуется череп, найденный в 1927 году на территории Белиза, где проводились раскопки развалин города майя Лубаантум. Этот «Череп из Лубаантума», целиком вырезанный из куска горного хрусталя, до сих пор ставит в тупик ученых и исследователей. Хрусталь очень тверд. В природе существует только три минерала, превосходящие хрусталь по твердости — топаз, корунд и алмаз. До сих пор остается непонятным, каким образом индейцы, по уровню развития находящиеся в каменном веке, смогли провести такую невероятно сложную работу. Энтузиастами было подсчитано, что для шлифовки такого изделия вручную, при отсутствии современных технологий, потребовалось не менее 300 лет. Единственное разумное, что приходит здесь в голову, — предположить, что работа над таким произведением искусства велась многими людьми в течении поколений. Подобно тому, как в средние века зодчий закладывал фундамент храма, а заканчивали постройку его внуки и правнуки. Как бы то ни было, увлечение наших пращуров хрустальными вазами и черепами негативно сказалось на мировых запасах горного хрусталя. Можно даже сказать, что в наше время его практически не осталось. И это при том, что только сейчас хрусталь приобрел наибольшую ценность, и не как поделочный материал, а как необходимый компонент в современной технике. Горный хрусталь — пьезоэлектрик. Если взять тонкую пластинку хрусталя и изгибать ее, то на ее поверхности будут образовываться электрические заряды. Этот эффект широко используется в радиотехнике, и с развитием промышленности, потребность в кварце только возрастает. К счастью, был найден способ выращивать искусственные кристаллы кварца, и теперь за будущее радиоэлектроники волноваться не приходится. Горный хрусталь весьма напоминает стекло, и это не случайно. Диоксид кремния, которым является хрусталь, — главный компонент в стекольном производстве. Обычное стекло имеет довольно сложную формулу и получается при сплавлении кварцевого песка, соды и извести. Но стекло можно получить и на основе одного кремния, с примесью только кислорода. Для получения такого плавленого кварца, или кварцевого стекла, используют кремнезем повышенной чистоты — тот же горный хрусталь, кварцит или синтетическую двуокись кремния. Иногда кварцевое стекло можно встретить и в природе — если в чистый кварцевый песок ударит молния. Коэффициент расширения кварцевого стекла в двадцать пять раз меньше чем у обычного. Это значит, что такое стекло можно подвергать таким температурным нагрузкам, при которых стекло обыкновенное просто лопнет, разлетится на осколки. Что будет, если поставить стеклянную тарелку на открытый огонь? Или налить в стакан холодной воды и тут же погрузить его в кипяток? Житейский опыт подсказывает, что обычная стеклянная посуда таких издевательств не выдержит. Другое дело посуда из кварцевого стекла. Такую прозрачную кастрюлю или сковородку можно безбоязненно ставить на кухонную газовую конфорку, ну а в химических лабораториях «кварцевые» колбы и пробирки используются уже больше ста лет. Еще одно интересное свойство кварцевого стекла — способность беспрепятственно пропускать ультрафиолетовое излучение. Все мы видели «кварцевые лампы», источники ультрафиолета, широко используемые в медицине. Называют их так не потому что, как считают некоторые, «там какой-то кварц светится». Светится в этих лампах смесь газов, а вот колба лампы сделана как раз из кварцевого стекла. Ультрафиолетовые лучи не задерживаются стенками такой лампы и с одинаковым успехом могут стерилизовать помещение, убивать бактерии в носу или придавать коже ровный загар. Линзы для оптических приборов тоже чаще всего делают из кварцевого стекла. Такая оптика отличается лучшим светопропусканием, меньшим показателем преломления и не меняет свои характеристики при изменении температуры окружающей среды. В периодической таблице элементов кремний занимает место прямо под углеродом. В природе это проявляется тем, что кремний, как и углерод способен создавать из своих атомов длинные молекулярные цепочки. А если в молекуле будет соединены и атомы кремния и атомы углерода, то это соединение мы назовем кремнийорганикой. Впервые кремнийорганическое соединение было получено еще в 1845 году, а в настоящее время кремнийорганика — это и отдельная научная дисциплина, и отрасль промышленности. Особый интерес представляют кремнийорганические соединения, содержащие кислород — именно они подразумеваются под всем известным словом силикон. Из силикона делают самый теплостойкий и морозоустойчивый синтетический каучук. Эта силиконовая «резина» сохраняет свою эластичность при температурах от –80 до +260°C и при этом обладает высокими электроизоляционными свойствами. Смазки на основе кремнийорганики выдерживают еще более жесткие температурные условия, и могут не замерзать при температурах до –100°C. Ткань, пропитанная силиконовыми соединениями становится, непромокаемой, жидкость будет просто скатываться с нее, как с гуся вода. Лаки, пластмассы, крема, мази, искусственные женские груди — все это далеко не полный список областей применения силикона. Ну а что же сам кремний? Существует ли применение силицию в чистом виде? Идеально чистый кремний, если бы его можно было получить, должен был бы быть идеальным электроизолятором. А вот не идеальный, но сверхчистый кремний, является важнейшим для электронной промышленности полупроводником. За прошлый век были выпущены миллионы и миллиарды транзисторов, и все они были созданы на основе кремния. С началом же эпохи компьютеров, важность полупроводников и, соответственно, кремния повысилась многократно. Именно с тех пор, у человека, знакомого с компьютерной техникой, слово кремний ассоциативно вызывает образ микросхемы, и наоборот. Даже долина Санта-Клара в Калифорнии, где сосредоточены все крупнейшие в мире предприятия полупроводниковой индустрии, и которая стала символом высоких технологий, получила название Силиконовой (читай — кремниевой) Долины. Тут уж всем прямо из названия понятно: нет кремния — нет полупроводников, нет полупроводников — нет компьютеров, а нет компьютеров — нет, как говорится, и мультиков. Сергей Журавлев. |
|
| © 2006-2017. Все права защищены. «Единый промышленный портал Сибири» Цитирование приветствуется при условии указания ссылки на источник - www.epps.ru © Создание сайта - студия GolDesign.Ru |