Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

строят свои скелеты из кремнезема; и мы знаем сейчас, что на 1 см3 породы, образующейся из скорлупок этих водорослей, требуется около 5 000 000 этих маленьких организмов.

Но особенно замечательны те постройки, в которых кремнезем используется животными для создания своего скелета. В разные эпохи развития жизни животные по-разному решали эту задачу прочности. В одних случаях они защищали снаружи свое тело известковой раковиной; в других — они строили эту раковину из фосфата кальция; в третьих — вместо раковины основу животного составлял твердый скелет, и он образовывался из самых разнообразных, но прочных материалов. То это были фосфаты кальция вроде того вещества, из которого образуются наши кости; то это были тонкие ажурные иглы сернокислых солей бария и стронция; наконец, некоторые группы животных использовали прочный кремнезем и строили из него свои здания. Так строили семейства радиолярий своеобразные нежные скелеты из тонких иголочек кремнезема.

Некоторые губки также образуют свои твердые части из кремневых иголок — спикул.

Сотнями различных способов ухитряется природа использовать кремнезем, чтобы из него создать прочную опору для мягких, изменчивых клеток.

Почему соединения кремния так прочны?

Наши ученые пытались в последние годы понять — в чем же разгадка замечательной прочности, которую придает кремний скелетам животных и растений, тысячам минералов и горных пород, самым тонким изделиям техники и промышленности?

И когда глаза наших рентгенологов проникли в глубины этих кремневых соединений, открылись замечательные картины, которые помогли найти причину их прочности и загадку их строения.

Оказалось, что кремний находится в них в виде мельчайших заряженных атомов — ионов ничтожных размеров, в два с половиной раза меньше, чем одна стомиллионная часть сантиметра.

Эти маленькие заряженные шарики соединяются с такими же заряженными шариками кислорода, но больших размеров. В результате вокруг каждого из них теснейшим образом располагаются четыре шарика кислорода, соприкасаясь друг с другом, и получается особая геометрическая фигура, которую мы называем тетраэдром[20].

Расположение атомов кремния (белые шарики) и кислорода (черные) в кристалле кварца. Атомы кислорода связывают всегда два атома кремния

Тетраэдры сочетаются друг с другом по различным законам, и из них вырастают сложные большие постройки, которые очень трудно сжимать или сгибать и в которых необычайно трудно оторвать атом кислорода от центрального атома кремния.

Современная наука выяснила, что возможны тысячи таких сочетаний тетраэдров между собой.

Иногда между ними располагаются другие заряженные частицы; в некоторых случаях наши тетраэдры сочетаются в отдельные полоски и пленки, создавая глины и тальки, но всегда и всюду в основе их строения лежит сочетание тетраэдров.

И подобно тому как углерод с водородом образуют сотни тысяч разнообразных соединений в органической химии, так в неорганической химии кремний с кислородом образуют тысячи построек, сложность которых раскрыта рентгеновским лучом.

Кремнезем не только трудно разрушается механически, он не только так тверд, что острый стальной нож не может взять его, но он прочен и химически, так как ни одна кислота, за исключением плавиковой, не может разрушить или растворить его, и лишь сильная щелочь несколько растворяет его[21], превращая в новые соединения. Он очень трудно плавится и только при 1600–1700° начинает переходить в жидкое состояние.

Таким образом, не удивительно, что кремнезем и его разнообразные соединения являются основой неорганической природы. В наше время возникла целая наука о химии кремния, и на каждом шагу все пути геологии, минералогии, техники и строительства переплетаются с историей этого элемента.

История кремния в земной коре

Проследим же теперь на отдельных примерах судьбу кремния в земной коре. Он образует с металлами основу расплавленной магмы в глубинах земной коры. И когда эта расплавленная магма застывает в глубинах, образуя кристаллические горные породы — граниты, габбро, или выливается на поверхность в виде лавовых потоков, базальта и других пород, возникают сложные соединения кремнезема, или силикаты. Если же кремния избыток, то появляется и чистый кварц.

Вот они — коротенькие кристаллы кварца в гранитных порфирах или густые дымчатые хрустали в пегматитовых жилах, последних остатках глубинных расплавов Земли. Надо осторожно запечь в хлебе кусочек такого «дымчатого топаза»[22] или нагреть его до 300–400°, чтобы получить «золотистый топаз», который и пойдет в огранку на бусинку или брошку.

Вот кварцевые жилы со сплошным белым кварцем[23]. Мы знаем, что некоторые из них тянутся на сотни километров. Грандиозные кварцевые жилы стоят, как маяки, на склонах гор Урала. Здесь на много сотен километров протягиваются жилы с пустотами, заполненными прозрачным горным хрусталем. Это и есть те чистые прозрачные разновидности кварца, о которых писал греческий философ Аристотель, давший им название «кристалл» и связывавший происхождение горного хрусталя с окаменелым льдом. Это тот горный хрусталь, который уже в XVII веке добывался из природных «погребов» Швейцарских Альп, причем из отдельных пустот добывалось до 500 тонн горного хрусталя, то есть до 30 вагонов.

Отдельные кристаллы иногда достигают грандиозных размеров. На Мадагаскаре был найден кристалл горного хрусталя, который имел в окружности 8 метров. Японцы выточили из прозрачного горного хрусталя Бирмы огромный шар — больше одного метра в диаметре, который весил почти полторы тонны.

Другой вид кремнезема, совсем не похожий по внешнему виду на тот, о котором мы только что говорили, отлагается из расплавленной лавы, когда горячие пары, насыщенные кремнеземом, осаждают в отдельных жилах или газовых пустотах громадные массы кремнистых желваков и жеод. И когда начинается разрушение породы в глинистую дресву, из нее как бы выкатываются грандиозные шары до одного метра в диаметре.

В штате Орегон в США их называют «гигантскими яйцами» или «яйцами-великанами». Их разбивают на куски и потом распиливают на тонкие пластины для получения прекрасных слоистых агатов — сырья для «камней» к часам и другим точным приборам, для призм весов, для ступочек химических лабораторий. Иногда и после прекращения вулканической деятельности, в связи с наличием остывающих изверженных масс, кремнезем выносится горячими ключами на поверхность земли. Таково, например, происхождение отложений «неблагородного опала» гейзерами в Исландии и в Йеллоустонском национальном парке США.

Посмотрим на белоснежные пески дюн побережья Балтики и северных морей, на миллионы квадратных километров песчаных пустынь Средней Азии и Казахстана; песок — вот что определяет природу берегов морей и пустынь; кварцевый песок то с красной пленкой железных окислов, то с преобладанием черного кремня, то чисто белый, очищенный морской волной.

А вот нарядные изделия из горного хрусталя. Искусный мастер китаец при помощи разнообразных скребков и наждачного порошка создал фантастические изделия