Занимательная геохимия. Химия земли

При слове «кремний» обычно чаще всего вспоминаешь кремень — минерал, который многие хорошо знают еще с детства; кремень твердый, дающий горячую искру при ударе о сталь и применявшийся древним человеком для получения огня, а позднее для зажигания пороха в кремневом ружье.

Однако минерал кремень — это не кремний химиков, а лишь одно, и притом не самое важное, его соединение. Сам же кремний — это замечательный химический элемент, атомы которого широко распространены вокруг нас в природе и в технике.

Кремний и кремнезем

В граните около 80 % кремнезема, или 40 % элемента кремния. Из его соединений состоит большинство твердых горных пород.

Кристаллы дымчатого кварца

Друза горного хрусталя — самой чистой и прозрачной разновидности кварца

Кремний — главная составная часть простой глины. Из него же состоят в основном простой песок речных берегов, толщи песчаников и сланцев.

Не удивительно поэтому, что около 30 % по весу всей нашей земной коры состоит из этого элемента, что до глубины в 16 километров около 65 % приходится на его главное соединение с кислородом SiO₂, которое химики называют кремнеземом и которое мы называем чаще всего кварцем. Мы знаем свыше двухсот различных разновидностей природного кремнезема, и больше ста различных названий употребляют минералоги и геологи, перечисляя разные виды этого важнейшего минерала.

Мы говорим об окиси кремния, когда называем кремень, кварц, горный хрусталь, говорим о ней, когда восторгаемся красотой фиолетового аметиста, пестрого опала или красного сердолика, черного оникса или серого халцедона, к нему относятся и красивые разновидности яшмы, и точильный камень, и простой песок. Самые разнообразные названия даются отдельным ее разновидностям, и, может быть, нужна целая наука, чтобы разобраться в соединениях этого замечательного элемента.

Но в природе встречается еще гораздо больше соединений, где наш кремнезем, или кремневая кислота сочетается с окислами других металлов. При этом получаются тысячи новых видов минералов, называемых силикатами.

Человек применяет их в своей строительной технике и хозяйстве; важнейшие из них — глины и полевые шпаты — он использует для получения различных сортов стекла, фарфора и фаянса, для отливки оконных стекол, хрусталя для стаканов, для создания величайшей силы строительной техники — прочного, как броня, бетона, одного из основных материалов для полотна новых автострад, мостов и железобетонных перекрытий заводов и фабрик, театров, домов и так далее.

Что может сравниться в руках человека по прочности и разнообразию своих свойств с кремнием и его соединениями?

Кремний в животных и растениях

Но еще раньше, чем хитроумный человек научился пользоваться окисью кремния в своей технике, природа уже широко использовала ее в жизни растений и животных. Там, где надо было построить прочный стебель, прочную соломинку колоса, накапливалось большое количество кремнезема; и мы знаем, как много его содержится в золе простой соломы и в особенности в прочных стеблях таких растений, как хвощи, которые росли в далекие геологические эпохи образования каменного угля, вытягиваясь из болотистых низин на высоту в десятки метров, так же как сейчас вытягиваются к небу богатые кремнеземом трубки бамбука в садах Сухуми или Батуми. В этих растениях природа сумела сочетать механическую прочность с прочностью самого материала.

Прочность стебля имеет огромное практическое значение для колосьев злаков, не позволяя ниве ложиться под ударами ветра или дождя.

Радиолярия

Каждый день на самолетах перевозят цветы и декоративные растения; и чтобы эти цветы не мялись, а стебли их оставались прочными, необходимо почву, в которой они растут, насыщать легкорастворимыми солями кремния. Растения поглощают с водой кремнезем — и их стебли приобретают твердость и прочность.

Но не только для стеблей нужна растениям прочность кремния и его соединений. Мельчайшие растения, диатомовые водоросли, 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.