Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин

14. Кремний

Классе в седьмом в какой-то библиотечке фантастики (не помню ни автора, ни даже был ли он нашим или зарубежным писателем) я прочитал сюжет о том, как какой-то злой гений разработал состав, превращающий человека в кремниевые формы жизни.

Всё это делалось для создания суперсолдат, которым были бы не страшны пули, но что-то, как обычно, пошло не так и перерождённые кремниевые солдаты были медлительны, а по интеллекту представляли что-то среднее между памятниками и сидящими на них голубями. Сейчас я понимаю наивность того произведения, но тогда оно меня впечатлило и, будучи на даче, я с опаской пил мутноватую колодезную воду, зная, что муть — это песок, содержащий кремний. Мне не хотелось становится медленным и тупым кремниевым памятником самому себе.

На нашей железокаменной планете кремний — второй по распространённости элемент, а то, что мы обычно называем «камнями» — различные формы оксида кремния, в которых кремний связан с кислородом. Элементарной единицей любого «камня» является тетраэдр, в котором атом кремния окружён четырьмя атомами кислорода, а вот от взаимного расположения этих тетраэдров и от незначительных примесей, которые содержит оксид кремния, зависит, какие свойства и внешний вид будут у его минерала — будет ли это песок, кварц, опал, халцедон или что-то еще. Самая чистая форма оксида кремния, практически не содержащая других элементов, кроме кремния и кислорода — кварц или горный хрусталь. В монокристаллических образцах кварца тетраэдры SiO4 располагаются, формируя спирали, закрученные по или против часовой стрелки. Для кварца вполне может получиться так, что он образует два кристалла, одинаковых как отражения друг друга в зеркале. Надеюсь, многие знают об оптической изомерии — существовании молекул, одна из которых является зеркальным отображением другой, но большая часть людей считают, что такое различие форм присуще только производным углерода — органическим соединениям. Это не так, оптическая изомерия может проявляться даже у такого простого и распространённого в земной коре неорганического вещества, как диоксид кремния. Если чуть-чуть усложнить структуру кремниевого минерала, и заменить часть атомов кремния атомами алюминия, можно получить цеолиты — неорганические «соты» или, как их называют — молекулярные сита. Различные формы природных и синтетических цеолитов различаются размерами внутренних пор-каналов и могут применяться, например, для разделения газов, одни из которых будут свободно проходить через эти поры, а другие не пройдут.

Что же представляет сам по себе элемент кремний, без которого в наше время не заработает ни одно электронное устройство? Разложить кварц или песок на кремний и кислород сложно, для этого требуются колоссальные затраты энергии. Упомянутый в двух предыдущих главах Хэмфри Дэви занимался и кремнием — он, вероятно, первый догадался, что кварц или песок представляет собой соединение нескольких элементов, а не отдельный элемент и даже попытался его выделить. Дэви пропускал пары металлического калия над оксидом кремния, получая темное вещество, которое при сжигании снова давало оксид кремния. Образец кремния, полученный Дэви, был сильно загрязнен примесями, грязные образцы получили и его последователи — Жозеф Луи Гей-Люссак и Луи Жак Тенар. В конечном итоге чистый образец кремния в 1825 году получил Йёнс Якоб Берцелиус, который и дал ему международное латинское название «silicium» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» появилось в 1834 году. Его ввёл химик Герман Иванович Гесс, взяв за основу древнегреческое слово «кремниос», означающее утёс или гора.

Свойства элементарного кремния — типичные свойства металлоида (раньше такое обозначение при менялось для обозначения химических элементов типа «ни рыба, ни мясо» — тех, кого нельзя отнести ни к типичным металлам, ни к типичным неметаллам. Внешне кремний похож на металл — темно-серый цвет, похожий на металлический блеск, но, в отличие от металлов, чистый кремний, во-первых, плохой проводник электричества, а во-вторых, с увеличением температуры проводимость кремния и других полупроводников растет (нагретые металлы, наоборот, хуже проводят электричество) — увеличение температуры полупроводника позволяет его электронам получить больше энергии и стать более эффективными переносчиками заряда. Есть ещё один способ увеличить электропроводность полупроводника — как это не парадоксально, контролируемого ввести в него загрязнения, например, атомы алюминия или фосфора. Если на внешнем электронном слое таких «загрязнителей», которые, конечно правильно называть «легирующими добавками», количество электронов отличается от количества внешних электронов кремния, полученный материал сможет проводить ток либо за счет избыточных электронов (если, например, легирующие добавки — фосфор и другие пятивалентные элементы) или электронных вакансий, «дырок» (в том случае, если к кремнию подмешивают алюминий и другие трехвалентные элементы). Такие полупроводники, как кремний и германий вот уже почти шесть десятков лет являются сердцем электрических схем радио- и телеприемников, компьютеров, смартфонов и другой бытовой и применяющейся в более сложных целях микроэлектроники.

Как кремний относится к жизни? Увы, по-разному. С одной стороны, несколько форм асбеста — кремнийсодержащего минерала образуют волокна, размеры которых могут перфорировать стенки клеток легких, постепенно разрушая их слизистую оболочку (есть даже такое профессиональное заболевание шахтеров, как силикоз легких). С другой, многообразие форм кремния позволило природе заставить работать этот элементов живых системах. Так, в мелких шипах крапивы прячутся острые мини-лезвия из оксида кремния, задача которых проколоть мягкую кожу неосторожного туриста и ввести в прокол незначительное количество раздражающей нервные окончания муравьиной кислоты. Диатомовые водоросли, на которые приходится четверть всего органического вещества планеты, приспособились защищаться панцирями из оксида кремния. Что же касается перспектив существования кремниевых форм жизни, они довольно призрачны (особенно для условий, аналогичных условиям на нашей планете). Почему? Одним из факторов, обеспечивающих успешно протекающий обмен веществ, является способность быстро и обратимо и образовывать, и разрушать связи элемент-кислород. Углерод этому «трюку» обучен хорошо — связь С — О сможет и легко образоваться, и легко разрушиться, а вот связь кремний-кислород, одна из самых прочных химических связей, образуется легко, а вот разрушается со скоростью никак не отвечающий требованиям обмена веществ организма, который должен быстро реагировать на изменения условий окружающей среды.

15. Фосфор

Благодаря работавшим в Казанском императорском университете Бутлерову, Зайцеву и Марковникову про город Казань, в котором я живу и работаю, говорят, что он «Мекка органической химии». Для химиков дня сегодняшнего Казань ещё и мировая столица химии фосфора — в Казани были открыты два важнейших для химии этого элемента процесса — перегруппировка Арбузова и реакция Пудовика. Существует легенда о том, как один из ведущих ученых, изучавших органические соединения фосфора в СССР, академик Мартин Израилевич Кабачник объяснял этот факт.