Элемент: кремний (Aluminium, Aluminum)
Химический символ: Si
Порядковый номер: 14
Год открытия: 1824 (предсказан в 1782 А.Лавуазье)
Стандартная атомная масса: 28.084
Температура плавления: 1687 К
Температура кипения: 3265 К
Плотность при стандартных условиях: 2.32г/cм3
Скорость звука в кремнии: 8433 м/с
Число стабильных изотопов: 3
Кристаллическая решётка: кубическая, подобно алмазу
Кремний под ногами – и глубже
Как и о его «соседе сверху», углероде, о кремнии можно говорить и писать бесконечно. Достаточно того, что этот элемент – второй по распространенности в земной коре после кислорода, и первый – твердый в элементарном состоянии. 27,2% массы земной коры приходится на кремний. Впрочем, тут же нужно сказать, что очень часто приходится встречать утверждение, что земная кора состоит на 27,2% по массе из кремния. Но это совсем не так: ведь кора составляет всего… 0,4%от массы планеты – можно бы вообще не учитывать. Примерно треть массы занимает ядро, в котором кремния почти нет (его элементный состав – Fe25Ni2Co0.1S3), а две трети – мантия. И вот тут кремния тоже хватает: например, в самом типичном оливине ((Mg2+, Fe2+)2SiO4)…
Оливин
Но вернемся из мантии на поверхность. Соединения кремния нас окружали всегда, ну а сейчас он вообще стал символом технического прогресса. Песок – оксид кремния, стекло – то же самое, кварц – он же. Силикаты, алюмосиликаты – глина опять же (помним, что Al2Si2O5(OH)4)… Не забудем и то, что сам технический прогресс – всякие наконечники стрел и копий тоже делались из кремня, в котором кремнИя было предостаточно.
Дымчатый кварц
Нельзя не привести, вслед за сборником «Популярная библиотека химических элементов», на который мы равняемся (искусствоведы бы вычурно сказали «совершаем оммаж»), цитату из великого минералога Александра Ферсмана. «Показывают мне, – писал в одной из своих популярных книг академик А.Е. Ферсман, – 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 плавленого кварца или жароупорную посуду из него, красиво ограненные груды горного хрусталя, таинственный рисунок фантастической яшмы, окаменелое дерево, превращенное в камень, грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека… все это одно и то же химическое соединение элементов кремния и кислорода».
Еще один хорошо известный с древности минерал кремния, полезный и вредный одновременно – это горный лён. Он же асбест. Точнее, это, конечно, не минерал, а две группы минералов – хризотил-асбест (он же белый асбест, 3MgO•2SiO2•2H2O) и сложный гидросиликат амфиболовый асбест. Эта группа минералов образует прямые иглообразные волокна, которые крошатся и вдыхание которых может привести к онкологическим заболеваниям. Эти огнеупорные материалы удивительны, поскольку за счет полимерности оксида кремния образуют длинные и гибкие волокна (длина волокон в асбесте Ричмонда – до метра, в алтайских асбестах – до 20 сантиметров!). Представьте себе, каменные волокна – удивление, да и только!
Кристаллы амфиболового асбеста
Хризотил-асбест
Удивительно при всем при этом, что сам кремний человечество открыло сравнительно недавно. Впрочем, с другой стороны, в чистом виде-то он почти не встречается – разве что при отборе проб газов вулкана Кудрявый на острове Итуруп Курильской гряды удалось обнаружить кристаллики чистого кремния 0,3 миллиметра в поперечнике – но где Кудрявый и где европейские химики XVIII века…
Немного истории
Только в 1787 году все тот же Антуан Лоран де Лавуазье предположил, что кварц представляет собой оксид («землю») некоего химического элемента. Попытки выделить сам элемент долго не приводили к успеху. Так в 1808 году отступил великий Хэмфри Дэви, однако предложил новое имя для элемента: «силициум» – от латинского silex – кремень. В 1811 году французы Жозеф Гей-Люссак и Луи Жак Тенар вроде как выделили аморфный кремний реакцией недавно открытого калия и тетрафторида кремния (его получил еще в 1771 году Карл Вильгельм Шееле, растворив кварц в плавиковой кислоте), но… Во-первых, он был далеко не чистым, а во-вторых, химики не поняли, что сделали и не идентифицировали новый элемент.
Луи Жак Тенар
Так что пришлось ждать 1823 года и шведа Йенса Якоба Берцелиуса, который смог взаимодействием фторосиликата калия и металлического калия таки выделить кремний – он сделал еще один шаг за Тенаром и Гей-Люссаком и очистил продукты реакции до аморфного коричневого порошка.
Йенс Якоб Берцелиус
Кристаллического же кремния человечеству пришлось ждать еще 31 год: в 1854 году его смог получить француз Анри Этьен Сент-Клер Девиль, один из отцов физической химии, автор теории диссоциации – обратимого разложения веществ при нагреве, подтвердивший ее на практике, разложив воду на водород и кислород.
Анри Этьен Сент-Клер Девиль
А вот приоритет получения кремния в промышленных масштабах – российский. Замечательный химик Николай Николаевич Бекетов разработал способ получения кремния высокой чистоты реакцией четыреххлористого кремния и паров цинка (в скобках отметим, что технический кремний сейчас получают проще: восстановлением кремнезема в электрической дуге).
Николай Николаевич Бекетов
Удивительно, но еще тогда, в 1850-х годах, началась и химия кремнийорганики (надеюсь, читателям этого портала не нужно рассказывать о том, что кремний – это ближайший аналог углерода в таблице Менделеева, и точно так же образует четыре sp3-гибридизованные связи, да и кристаллическая решетка кремния повторяет кристаллическую решетку алмаза). В 1857 году был получен трихлорсилан SiHCl3, который, впрочем, нельзя еще считать кремнийорганическим соединением, однако шестью годами позже люди с милыми слуху любого органика фамилиями, Шарль Фридель и Джеймс Крафтс, еще не открывшие свою знаменитую реакцию, получили тетраэтилсилан, Si(C2H5)4.
Кремний в нашей жизни
Конечно же, революция в жизни кремния случилась, когда сначала люди открыли его полупроводниковые свойства, а затем, в 1947 году, Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли создали полупроводниковый транзистор. Что привело их к Нобелевской премии по физике (потом Бардин получит вторую). А нас в итоге – к Кремниевой долине, которую у нас сейчас часто по глупости называют Силиконовой, хотя это, кхм… две совсем разные долины.
Рождением термина «Кремниевая долина» мы обязаны технологическому журналисту Дону Хофлеру, который с 11 января 1971 года начал публиковать в еженедельнике Electronic News серию статей «Silicon Valley, USA». И тут, как это часть бывает, вмешался язык. Дело в том, что в английском языке есть слово silicon – «кремний»: поскольку в Долине находились производства микропроцессоров, которые делаются на кремниевой основе. А есть слово silicone– силикон, он же полиорганосилоксан, он же – материал для имплантов для увеличения груди. Еще до распространенности этого термина в России, в самих США часто путали эти термины, ну а уж в русском языке сам Бог велел «купиться» на эти ложные друзья переводчика.
Уже в 1984 году Стив Гибсон, глава компании Gibson Laboratories, в сердцах возмущался: «…интегральные схемы создаются из тонких, круглых, плоских пластин сверхчистого кремния. Это отнюдь не то же самое, что силикон. Силиконовая долина — это то, что видят некоторые голливудские актрисы, когда смотрят себе под ноги. Кремниевая долина — это место в Северной Калифорнии, где делают микросхемы». И его легко понять – ведь Силиконовая долина тоже к тому времени уже существовала, не как выпуклости в вырезе голливудских актрис, а как Долина Сан-Фернандо, первое место в мире, где начали активно снимать порнофильмы.
Первые силиконовые импланты в клинической практике (1963)
Но кто сказал, что силиконовая грудь менее важна, чем компьютер? Тем более, что первые силиконовые импланты для груди были созданы Томасом Крониным и Фрэнком Джероу в 1961 году, как раз когда начался бурный рост всей электроники. Но вообще, полиорганосилоксанов очень много – и используются они далеко не только для улучшения внешнего вида прекрасных дам. Герметики, смазки, силиконовые перчатки, пеногасители, оттискные массы, амортизационные жидкости… Сотни, тысячи наименований окружающих нас предметов и субстанций сделаны из силиконов.
Кстати, раз уж мы заговорили о кремнийорганике. Одной из самых обсуждаемых тем, связанных с кремнием стала, конечно же, «кремниевая жизнь». Когда исследователи начали обсуждать, какой могла бы быть альтернативная жизнь на других планетах, то самым очевидным решением было заменить углерод его старшим аналогом. Тем более, что кремний тоже достаточно распространен во Вселенной. Однако атом кремния более тяжелый и имеет больший диаметр по сравнению с атомом углерода. Поэтому «обычные» аналоги органики из кремния менее устойчивы, кроме того, у кремния есть некоторые проблемы с образованием двойной и тройной связей.
Тем не менее, кремниевая жизнь, вероятно, возможно – но на совсем других планетах. Ученые считают возможной существование кремниевой жизни в расплаве из оксида кремния.
Сфера из кремния-28, эталон моля. В ней отражается эталон килограмма
Еще одно – неожиданное – применение кремния нашлось совсем недавно. Еще некоторое время назад единица количества вещества определялась как количество атомов, которое содержалась ровно в 12 граммах углерода-12. Однако потом решили переопределить моль напрямую через число Авогадро, а для иллюстрации сделать идеальный шар из кремния-28. В качестве эталона.
Текст: Алексей Паевский
