Источники обеспечения организма кремнием. Растения с высоким содержанием кремния
Источники обеспечения организма кремнием — «Лица»
Основным поставщиком кремния в организм человека являются растения, т.к. мы усваиваем только тот кремний, который был усвоен ранее растениями. Особые ферменты растений — силиказы превращают неорганические соединения кремния в органические.
Богаты кремнием растения со специфическим запахом: чеснок и черемша. Своими жгучими свойствами крапива обязана кремнию. Её листья покрыты волосками, кончики которых являются по существу хрупкими стеклянными капиллярами, наполненными ядовитой жидкостью с большим содержанием кремния.
Много кремния находится в составе культурных растений. Так, рис, являющийся основным продуктом питания народов Азии, в сухом веществе накапливает до 20% кремнезема. «Рисовое» питание является основной причиной низкой заболеваемости раком в этом регионе.
Кремнезем и силикаты стимулируют рост и созревание зерновых, картофеля, моркови, огурцов, томатов, подсолнечника, сахарного тростника, свёклы, табака, трав и других растений. На почвах, лишенных кремнезема, слабо развивается просо; зерна второго поколения очень плохо дают ростки и легко поражаются плесенью. Под влиянием двуокиси кремния возрастает усвояемость растениями калия и магния. Участие кремнезема в питании растений устраняет токсическое действие железа, марганца, меди, мышьяка, алюминия, магния, стронция-90 и фенолов.
Кремний находится в растительных тканях частично в виде органических соединений – кремниевых эфиров и углеводов, протеинов и нуклеиновых кислот и частично в виде минеральных – кремнезема, кремниевых кислот и силикатов.
В тех случаях, когда в грунтовых водах отсутствуют соединения кремния, в растениях он тоже будет отсутствовать. Таким образом, обеспечение населения органическим кремнием не может считаться гарантированным и стабильным. А ведь здоровье человека зависит от того, насколько разнообразна его пища и как она богата соединениями кремния. Попытки использовать вместо «растительного» кремния силикат натрия не дали терапевтического эффекта. Это является доказательством, что силикаты металлов не являются усвояемой формой кремния.
Значительно меньшую долю кремния человек получает из питьевой воды, так как соли кремния, находящиеся в обычной питьевой воде, не усваиваются организмом. Существуют технологии насыщения воды кремнием в усваиваемой форме. Самый простой и доступный способ — настаивание воды на «кремне», разработчиком которого является фармакологическое объединение им. Пастера г. Санкт-Петербург. Такая вода очень полезна за счет насыщения её молекулярным кремнеземом. Однако она абсолютно не очищается, и поэтому в случае наличия опасных загрязнителей становится опасной для здоровья.
Кремниевую воду готовят и с помощью минералов. Шунгит – минерал Зажогинского месторождения (республика Карелия) представляет собой композит, матрицу которого образует углерод. В углеродной матрице равномерно распределены высокодисперсные (менее 10 мкм) частицы соединений кремния. Оздоровительные свойства шунгита определяются его уникальным химическим составом, где основным вкладом в лечебные свойства является удачное сочетание содержания кремния (57,0%) и углерода (29,0%). Вода насыщается соединениями кремния в легко усваиваемой форме, а сорбирующие свойства углерода освобождают воду от широкого спектра загрязнителей.
К минералам с высоким содержания кремния относятся и цеолиты. Сокирнецкое месторождение возле г. Хуст – находится в Украине. Цеолит – минерал, представляющий собой водные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов с содержанием кремнеземов – 67,28%, но в рудах цеолита содержание свинца превышает ПДК (предельно-допустимую концентрацию – ред.) в 1,5 раза, а содержание меди – в 3 раза. Другой отрицательный аспект – возможность возникновения болезни Альцгеймера, обусловленной откладыванием в коре головного мозга алюминия, содержание которого в цеолите – 11,99%. Поэтому цеолит не нашел применения.
Наиболее эффективной технологией насыщения питьевой воды ионами кремния в усвояемой форме является технология электроактивации воды с использованием электродов из сплава «экосил», содержащего более 70% соединений кремния, производства НПФ «Эковод» г. Киев.
В обычной кремниевой воде, полученной при выдержке её на кремниевых минералах, кремний находится или в виде гидратированных частиц кремнезема, или в виде кремниевой кислоты. Эти соединения наш организм вынужден расщеплять, чтобы получить нужные для него ионы кремния. И только после этого ионы кремния используются для построения кремнийорганических соединений, необходимых организму. При этом на разложение кремниевых соединений организм затрачивает много энергии. В аппаратах «Эковод» вода проходит высококачественную очистку и полностью стерилизуется от всех видов биогенных загрязнений, а это: микроорганизмы, вирусы, плесень, грибки и паразиты.
Хочу отметить: технологический процесс получения кремниевой воды может быть упрощен, теперь необязательно получать живую и мертвую воду, а затем их смешивать, чтобы получить питьевую воду. Сейчас можно сразу получать питьевую воду. Внутри аппарата происходят электрохимические реакции, неусваиваемые организмом минералы химически соединяются с водой. Что невозможно получить за счет химических реакций. После такой обработки они легко и полностью усваиваются организмом, а это не только кремний, это может быть весь перечень жизненно необходимых минеральных микро- и макроэлементов, причем с регулируемой концентрацией каждого минерала. Обогащенная полным перечнем минералов вода – мощнейшее профилактическое средство укрепления здоровья, использование такой воды позволяет продлить человеческую жизнь, как за счет предотвращения заболеваний, так и за счет торможения процесса старения организма.
Вадим Жижин,
председатель Днепропетровской областнойорганизации «За обеспечение гражданУкраины качественной питьевой водой»,член Всеукраинской комиссиипо качеству питьевой воды
Ошибка в тексте? Выделите её и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить о ней редакции.
www.litsa.com.ua
содержание в продуктах, роль и значение, дефицит и избыток
По распространённости на Земле кремний после кислорода занимает второе место. Он присутствует во всех живых организмах и растениях. Его производные – кремнезёмы – основа жизни всех растений. Количеством кремнезёма определяется прочность и эластичность частей растений, скорость жизненного цикла. Этот элемент растения поглощают из почвы и воды.
Кремний – незаменимая составляющая всех органов, в том числе костной ткани животных. Больше всего производных кремния содержит скелет морских животных - рыб и млекопитающих. Из живущих на твёрдой почве больше всего кремния в яйцах птиц – он является необходимым компонентом для строительства клеток будущих птенцов.
В человеческом теле нет ни одного органа, который бы в большем или меньшем количестве не содержал кремний. В человеческий организм кремний попадает с пищей и водой. Учёные подсчитали, что человек на одну тысячную процента состоит из этого элемента и его производных. Так, в 1 мл человеческой крови может содержаться до 10,5 мкг двуокиси кремния.
Для чего нужен кремний
Человеческий организм не может существовать без кремния и его производных. Его недостаток или избыток негативным образом сказывается на работе внутренних органов и организма в целом.
Кремнеземы участвуют в образовании эритроцитов. На кровеносные сосуды кремний влияет также, как и на растения – определяет степень эластичности и прочности. При нехватке кремния сосуды становятся хрупкими, они больше подвержены сужению.
Часто причиной закупоривания сосудов является недостаток кремния. При нехватке кремния происходит его замещение кальцием, который откладывается на стенках сосудов, сужая и без того узкие проходы. Такое состояния, во-первых, является благодатной почвой для развития гипертонии – сужение сосудов провоцирует повышение артериального давления. Во-вторых, к кальциевым «наростам» быстро прилипают молекулы холестерина, вызывая развитие атеросклероза, стенокардии и многих других заболеваний, вызванных повышенным содержанием холестерина. Помимо этого, сам кальций делает стенки сосудов более хрупкими. Как это выглядит, можно представить, если вспомнить слой накипи внутри чайника.
Влияние кремния на состояние кожи аналогично влиянию на кровеносные сосуды. Кремний участвует в биосинтезе коллагена, регулируя эластичность кожи. Ни один самый дорогой косметический крем с коллагеном не поможет поддержать тургор кожи, если организм испытывает дефицит кремния.
Кремнезем – один из строительных материалов костной ткани, участвует в минерализации костей. Кремний принимает участие в обмене большинства микро- и макроэлементов. То есть при нехватке кремния даже при полном обеспечении другими микроэлементами, человек будет испытывать дефицит последних. При нехватке кремния организм не усваивает в полной мере калий, кальций, марганец, фтор и другие микроэлементы, что сказывается на самочувствии и здоровье.
Способность кремния синтезировать коллоиды делает его незаменимым микроэлементом для поддержания здоровой микрофлоры кишечника. Коллоиды кремния действуют как магнит на инородные микроорганизмы. Вирусы, бактерии и грибки, не привычные для человеческого организма, намертво «прилипают» к коллоидам кремния, лишаясь возможности распространиться по всему организму. Лишённые возможности распространения и размножения, вредные микроорганизмы выводятся из тела.
Таким образом кремний действует на вирусы гепатита и гриппа, трихомонады, стрепто- и стафилококки, дрожжевые грибки и многие другие патогенные организмы. Зато на полезную микрофлору кишечника кремниевые коллоиды действуют прямо противоположным образом, удерживая в организме полезные бифидо- и лактобактерии. Кремний является одним из незаменимых чистильщиков организма и хранителей его здоровой микрофлоры.
Потребность в кремнии
Суточная потребность для нормального функционирования организма взрослого человека колеблется от 5 до 50 мг. Однако потребность организма в кремнии может меняться в силу разных причин: с возрастом, во время и после болезней. Чем человек старше, тем в большем количестве кремния он нуждается. Врачи полагают, что старческая хрупкость костей может быть вызвана не только недостатком кальция, но и кремния.
Нет точных данных о том, в каком количестве кремния нуждается детский организм. Одни медики полагают, что при сбалансированном питании, в котором присутствуют все основные продукты питания, в достаточном количестве овощи и фрукты, дефицит кремния у здорового ребёнка развиться не может.
Другие педиатры бьют тревогу: избыток рафинированной пищи в рационе детей приводит к дефициту кремния, что в дальнейшем может привести ко многим заболеваниям. В частности, факт, что артрит, который до недавнего времени считался болезнью стариков, существенно помолодел, врачи связывают с неправильным питанием в детстве, обилием сахара.
При рациональном питании потребность в кремнии восполняется полностью. Однако сахара снижают уровень кремния в организме. Таким же пагубным влиянием обладают соли алюминия, которые входят в состав некоторых лекарственных препаратов. Для поддержания кремниевого баланса врачи рекомендуют с кремнием употреблять в пищу продукты, богатые кальцием и магнием. Кстати, пища, богатая пищевыми волокнами, помогают удерживать кремний в организме.
Дефицит кремния
Иногда организм буквально вопит о дефиците кремния в организме, а мы не слышим этих воплей. Вот перечень симптомов, которые характеризуются нехваткой микроэлемента.
- Ухудшение состояния волос – волосы стали слабыми, кончики волос секутся. Волосы потеряли блеск, стали тусклыми. Избыточное выпадение волос также может быть следствием нехватки кремния.
- Ухудшение состояния кожи. Сухая или, наоборот, излишне жирная кожа лица и тела, снижение её тургора. Плохая регенерация тканей после обычной травмы – неглубокий порез кухонным ножом может заживать очень долго.
- Повышенная хрупкость сосудов. От малейшей травмы расплывается синяк, который долго не проходит. На ногах появляются сосудистые звёздочки.
- Хрупкость костных тканей. Если случился перелом – это всегда повод заподозрить дефицит кремния. Резкое ухудшение состояния зубов, их повышенная чувствительность к холодному и горячему, выпадение пломб. Нужно помнить, что при дефиците кремния кальций усваивается значительно хуже.
- Проблемы со стороны желудочно-кишечного тракта – запоры или поносы. Появившиеся признаки дезбактериоза, в том числе кожные высыпания.
Избыток кремния в организме
Практических данных о негативном воздействии избыточного поступления кремния в организм нет. Есть теоретические выкладки, что избыток кремния может вызвать развитие мочекаменной болезни и фиброз лёгких. В особо тяжёлых случаях перенасыщение организма кремнием может вызвать рост опухолей, в том числе, злокачественных, в лёгких и желудке.
Какое количество кремния должно скопиться в организме, чтобы стали проявляться подобные последствия, наука скромно умалчивает.
Где больше всего кремния
Чемпион по содержанию кремния – неочищенное зерно. Много кремния в любых неочищенных злаках, а также блюдах из них – каше из бурого риса, хлебе из муки грубого помола.
Корнеплоды – морковь, свёкла, картофель, топинамбур – также содержат много кремния. Достаточно высоко содержание в орехах и зелени. Многие фрукты обладают высоким содержанием кремния: абрикосы, вишня, бананы, клубника. Много кремния в рыбе и морской капусте, а также в прочих морепродуктах.
Автор: Берестова Светлана
xn----htbbacbpccnglsso1ag.xn--p1ai
| Кремний относится к элементам, которые условно необходимы растениям. Кремний содержится в растениях примерно в таком же количестве, как и фосфор. Он откладывается в клетках в аморфной форме (в виде опала). Элемент связывается в растительном организме в силикатгалактозный комплекс и таким образом влияет на обмен веществ. По некоторым данным, кремний нормализует поступление и распределение в растении марганца, устраняя его токсическое действие при избыточном содержании (Дерюгин И.П., Кулюкин А.Н., 1998). У некоторых культур под действием кремния происходит усиленный рост, у других повышается устойчивость к мучнистой росе. В сельском хозяйстве практическое применение кремний находит при выращивании риса, где при недостатке Si урожайность зерна может снижаться на 50%.Согласно закону сохранения энергии, растения не могут строить свое тело из ничего, для этого им нужны элементы питания. Для нормального роста и развития, кроме углерода (C), водорода (Н), и кислорода (O) (которые растение получает с воздухом и водой), растениям необходимы макроэлементы: азот (N), фосфор (P), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), сера (S) и микроэлементы: железо (Fe), марганец (Mn), цинк (Zn), медь (Cu), бор (B), молибден (Mo), хлор (Cl), натрий (Na), кремний (Si), кобальт (Co), алюминий (Al) и некоторые другие элементы. Всего в растении обнаружено боле 75 химических элементов. Если не вносить элементы питания в почву, то со временем она истощается (особенно быстро по основным элементам) и урожаи становятся все меньше и меньше, а качество урожая ухудшается. Восстановление плодородия почвы возможно естественным путем (но это слишком долго для человечества) или искусственным - применяя удобрения. В сравнении с другими зерновыми культурами рис характеризуется большим выносом кремния. При недостаточном поступлении в растения кремния растения сильнее поражаются пирикуляриозом, увеличивается процент стерильных цветов, уменьшается масса 1000 зерен. При остром кремниевом голодании на ряде почв Приморского края урожай снижался на 80%. Почвы под рисом в Приморском крае характеризуются, как правило, низким содержанием подвижного кремния. Однако имеются почвы, в которых при среднем содержании подвижного кремния доступность его растениям риса снижена из-за высокого содержания подвижного марганца. Высокое содержание подвижного марганца наблюдается не только в кислых почвах, но и в имеющих реакцию, близкую к нейтральной. Для устранения недостатка кремния почвы с высоким содержанием подвижного марганца рекомендуется известковать, чтобы повысить доступность почвенного кремния растениям риса. ^ Началось лето, а с ним и различные болезни наших садово-огородных культур. Современные руководства по защите растений рекомендуют проводить опрыскивание различными фунгицидами. Но как-то не поднимается рука делать это — ведь многие плоды употребляются в пищу в сыром виде, а потом мы и так живем в мире, предельно насыщенном различными чуждыми природе химическими соединениями. Разумно ли плоды, выращенные с любовью и большим трудом, травить собственными руками? Конечно, лучше всего использовать сорта овощных культур, устойчивые к различным болезням и вредителям. Но далеко не всегда при покупке семян и рассады продавцы вам расскажут об этом важном свойстве приобретаемых сортов. Чаще всего они этого просто не знают. Да и неизвестно, какие болезни будут преобладать в предстоящем сезоне. B качестве альтернативы химическим препаратам можно использовать настои различных культурных и дикорастущих растений. В первую очередь следует упомянуть хорошо зарекомендовавшие себя лук и чеснок. Инсектицидные свойства этих растений давно известны садоводам и огородникам. Первым исследователем активности этих растений против различных микроорганизмов был наш соотечественник Б.П. Токин — профессор Ленинградского государственного университета. Позже было показано, что летучие выделения лука и чеснока уже через минуту убивали зооспоры возбудителя фитофтороза. Защитными свойствами обладали не только водные растворы тканевых соков, но даже и настои сухих наружных чешуй лука и чеснока. Дело, по-видимому, в том, что фитонциды лука и чеснока — это комплекс веществ, губительно действующих на возбудителей болезней растений. Кроме того, все луки, а их около 300 видов, обладают разными фитонцидными свойствами. Следует также упомянуть дикорастущие виды: медвежий лук, или черемша, полевой чеснок и другие. Здесь каждый владелец огорода должен решить для себя, каким луком он будет пользоваться для защиты растений от болезней, и в соответствии с этим подбирать концентрацию рабочего раствора. В качестве ориентира можно использовать рекомендации Б. П. Токина: 20 г сухих наружных чешуй лука и чеснока настаивают в стакане (200 мл) воды. Несомненным достоинством настоев чеснока и лука является их экологическая безопасность. Другим экологически безопасным средством защиты растений от болезней можно считать настои хвоща и крапивы. Эти растения отличаются высоким содержанием кремния, который является вторым по распространенности на земле химическим элементом после кислорода. Многим из нас хорошо знакомы агаты, опалы, горный хрусталь, яшма, песок и кремень — всё это нерастворимые соединения кремния с кислородом. О роли кремния в жизни растений сведений немного. Он обнаружен в золе злаков, осок, пальм, бамбука и др. Чем жестче стебель, тем больше кремния в нем содержится. Растения получают кремний из воды, где он содержится в виде растворов кремниевых кислот и их солей. Эти-то растворимые формы кремния, содержащиеся в растениях, и переходят в настой, который используют для защиты растений от болезней, в первую очередь от настоящей и ложной мучнистой росы. Однако сведения о действии настоев этих растений против болезней растений весьма противоречивы. И это неудивительно, ведь в России встречается два вида крапивы: жгучая и двудомная, хвощей же — пять видов: лесной, луговой, полевой, болотный и иловатый, которые очень сильно различаются по химическому составу. Хвощ полевой — лекарственное растение. Молодые побеги хвоща лугового и лесного употребляются в пищу. Хвощи болотный и иловатый ядовиты для лошадей и рогатого скота и могут привести их к смерти. Для обработки растений рекомендуется 1 кг травы (хвоща, крапивы или других растений, богатых кремнием) замочить в 10—15 л теплой воды. Все хвощи содержат различные алкалоиды. Наряду с кремнием ряд физиологически активных веществ содержится и в крапиве.
Популярная библиотека химических элементов Кремний
Во-вторых, этот элемент – ближайший аналог углерода со всеми, как говорится, вытекающими отсюда последствиями. Очевидно, с этих двух точек зрения и стоит рассматривать кремний – достаточно обыкновенный и достаточно необыкновенный элемент. ^ «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». Как ни разнообразен этот перечень, он, конечно, не исчерпывает многообразия природных соединений кремния. Начнем, однако, с упомянутых. «Грубо обработанный наконечник стрелы древнего человека» был сработан из кремня. А что такое кремень? Современный человек видел эти наконечники, равно, как и кремневые ружья, разве только в историческом музее. «Кремни», вставляемые в зажигалки курильщиков, ни внешне, ни по составу нимало не похожи на те кремни. Впрочем, многие из нас в детстве высекали искры, ударяя камешком о камешек, и скорее всего, тогда в наших руках были настоящие кремни. Так что такое кремень? Химик на этот вопрос ответит буквально по Ферсману: двуокись кремния, кремнезем. Возможно, при этом добавит, что кремнезем кремня – аморфный, в отличие от кристаллического кремнезема кварцевого песка и горного хрусталя, и что часть химиков считает кремень кристаллогидратом mSiO2 · nh3O. Геолог на тот же вопрос ответит иначе, но тоже в общем-то буднично: минеральное образование, распространенное и мало интересное, пласты и «желваки» кремня обычно залегают среди известняков и меловых отложений... И лишь гуманитарий-историк отзовется, должен отозваться, о кремне восторженно, ибо именно кремень – невзрачный и не очень прочный камень – помог в свое время человеку стать Человеком. Каменный век – век кремневых орудий труда. Причиной тому не только и не столько распространенность и доступность кремня, сколько способность его при сколе образовывать острые режущие кромки. Обратимся теперь к кристаллическим аналогам кремня: «красиво ограненные груды горного хрусталя», «чистый песок на берегу моря»... Разница между ними небольшая, по существу лишь в размерах и примесях. Чистый песок – чистая кристаллическая двуокись кремния. Чистой воды горный хрусталь – то же самое. И что еще очень важно, оба эти вещества – полимеры, неорганические полимеры. Одним из первых предположение о полимерном строении двуокиси кремния высказал Дмитрий Иванович Менделеев. Именно этим обстоятельством объяснял он нелетучесть и тугоплавкость веществ состава SiO2 или, правильнее, (SiO2)n. Рентгеноструктурные исследования наших дней подтвердили правильность этой догадки. Установлено, что кристаллический кремнезем представляет собой трехмерный сетчатый полимер. Цепочка кремнекислородных тетраэдров очень прочна, связь кремния с кислородом намного прочнее, чем, например, связь между атомами углерода в цепях органических полимеров. Кремнекислородным цепям хватает и гибкости, но в мире минералов они образуют жесткие сплетения в виде пространственных решеток и сеток, которые хрупки, неподатливы при механической обработке. Чтобы кремнекислородные цепочки остались гибкими, эластичными, их нужно изолировать одну от другой, окружить другими атомами или группами атомов. Это сделали химики, синтезировавшие многочисленные ныне кремнийорганические полимеры, речь о которых ниже. Впрочем, и природа дала великолепный образец волокнистого по структуре полимерного соединения кислорода и кремния – это асбест. Сегодня очень непросто ответить на детский вопрос, какая из разновидностей кристаллической двуокиси кремния – песок или горный хрусталь – важнее для современного человека. Если брать в расчет только природный горный хрусталь, запасы которого практически исчерпаны, то ответ однозначен: конечно, песок. Из кварцевого песка делают кварцевое стекло, а из него – превосходную лабораторную посуду, баллоны ламп специального назначения и многое другое. Горный же хрусталь – не только поделочный материал, он и пьезоэлектрик. Он нужен радиотехнике в все возрастающих количествах, и вряд ли возможно было бы быстрое развитие этой отрасли, если бы люди не научились выращивать крупнокристаллический искусственный кварц в виде монокристаллов. В 30-х годах Александр Евгеньевич Ферсман писал: «Через несколько десятков лет геологи не будут больше с опасностью для жизни взбираться на вершины Альп, Урала или Кавказа в погоне за кристаллами, не будут добывать их в безводных пустынях Южной Бразилии или в наносах Мадагаскара. Я уверен, что мы будем по телефону заказывать нужные куски кварца на государственном кварцевом заводе». Кварцевые заводы появились даже раньше, чем предсказывал ученый. Они выпускают кристаллы кварца, ничем не уступающие природному горному хрусталю, в количествах, достаточных не только для радиоэлектронной промышленности, не только для оптики, но и для украшений. Сомневающимся в этом утверждении рекомендуем обратиться в ближайший от их дома ювелирный магазин. ^ Мы умышленно ограничили рассказ о природных соединениях кремния тремя веществами и одним, по существу, соединением. Обо всем в коротком очерке все равно не расскажешь, а соединения с кислородом – самые важные. Вернемся, однако, собственно к кремнию. Несмотря на распространенность в природе, этот элемент открыли сравнительно поздно. В 1825 г. выдающийся шведский химик и минералог Йенс Якоб Берцелиус сумел в двух реакциях выделить не очень чистый аморфный кремний в виде коричневого порошка. Для этого он восстановил металлическим калием газообразное вещество, известное ныне как тетрафторид кремния SiF4, и кроме того, провел такую реакцию: K2SiF6 + 4К → 6KF + Si. Новый элемент был назван силицием (от латинского silex – кремень). Русское название этого элемента появилось спустя девять лет, в 1834 г., и благополучно дожило, в отличие, скажем, от «буротвора», до наших дней. Кремний, как и углерод, образует различные аллотропические модификации. Кристаллический кремний так же мало похож на аморфный, как алмаз на графит. Это твердое вещество серо-стального цвета с металлическим блеском и гранецентрированной кристаллической решеткой того же типа, что у алмаза. Впрочем, аморфный кремний, как выяснилось, тоже не аморфный, а мелкокристаллический. Первый промышленный способ производства кремния, изобретенный во второй половине XIX в. известным русским химиком Н.Н. Бекетовым, основан на восстановлении четыреххлористого кремния SiCl4 парообразным цинком. Технически чистый кремний (95...98% Si) сейчас получают главным образом восстановлением кремнезема в электрической дуге между графитовыми электродами. Используется до сих пор изобретенный еще в прошлом веке способ восстановления кремнезема коксом в электрических печах. Этот способ также дает технический кремний, нужный металлургии как раскислитель, связывающий и удаляющий из металла кислород, и как легирующая добавка, повышающая прочность и коррозионную стойкость сталей и многих сплавов на основе цветных металлов. Впрочем, здесь важно, «не переборщить»: избыток кремния может привести к хрупкости. Не отошел в прошлое и бекетовский способ получения кремния (в реакции между парами цинка и тетрахлоридом кремния – летучей бесцветной жидкостью с температурой кипения всего 57,6°C). Это один из способов получения высокочистого полупроводникового кремния, о котором определенно наслышаны читатели этой книги. Полагают, что при абсолютном нуле идеально чистый и идеально правильный монокристаллический кремний должен быть идеальным электроизолятором. Но идеальная чистота так же недостижима, как и абсолютный нуль. В нашем случае это, что называется, к добру. Не идеальный, а просто высокочистый и сверхчистый кремний стал важнейшим полупроводниковым материалом. При температуре, отличной от абсолютного нуля, в нем возникает собственная проводимость, причем носителями электрического тока являются не только свободные электроны, но и так называемые дырки – места, покинутые электронами. Вводя в сверхчистый кремний те или иные легирующие добавки (в микроколичествах; обычно это делается с помощью ионно-лучевых установок), в нем создают проводимость того или иного типа. Добавки элементов третьей группы менделеевской таблицы ведут к созданию дырочной проводимости, а пятой – электронной. Что значат для нас сегодня полупроводники, объяснять, вероятно, излишне. Расскажем лучше вкратце о способах получения полупроводникового кремния. Один из этих способов упомянут выше. Заметим только, что реакцию высокочистых паров цинка с очень чистым четыреххлористым кремнием проводят при температуре 950°C в трубчатом реакторе, изготовленном из плавленого кварца. Элементарный кремний образуется в виде игольчатых кристаллов, которые потом измельчают и промывают соляной кислотой, разумеется тоже весьма чистой. Затем следует еще одна ступень очистки – зонная плавка, и лишь после нее поликристаллическую кремниевую массу превращают в монокристаллы. Есть и другие реакции, в которых получают высокочистый полупроводниковый кремний. Это восстановление водородом трихлорсилана SiHCl или четыреххлористого кремния SiCl4 и термическое разложение моносилана, гидрида кремния Sih5 или тетраиодида SiJ4. В последнем случае разложение соединения происходит на разогретой до 1000°C танталовой ленте. Дополнительная очистка зонной плавкой следует после каждой из этих реакций. В полупроводниковом кремнии содержание примесей крайне мало – 10–5...10–6% и даже меньше. Кремнийорганика Первое органическое соединение, содержащее кремний, было получено еще в 1845 г. в реакции этилового спирта с четыреххлористым кремнием: SiCl4 + 4С2Н5OН → Si(OC2Н5)4 + 4HCl. Но это не был первый синтез кремнийорганического соединения в том смысле, какой вкладывает в это понятие современная химическая номенклатура. Кремнийорганическими сейчас признают лишь те соединения, в которых есть связь углерод – кремний. Так что первое кремнийорганическое соединение – тетраэтил-силиций Si(C2H5)4 – было получено лишь в 1863 г. Конечно, в то время никто не предполагал, что спустя 100 лет кремнийорганика разовьется в самостоятельную и важную ветвь химической науки, что кремнийорганические соединения, особенно полимерные, станут первостепенно важны для многих видов промышленности, для транспорта и строительства, даже для быта. Опытная хозяйка перед стиркой смажет руки силиконовым кремом, который предохранит их не только от воды, но и от разъедающего действия соды или стирального порошка. Сдавая в чистку платье или костюм, мы охотно доплачиваем за несминаемую складку и за «пропитку», благодаря которой платье будет меньше грязниться. И в том и в другом случае нашу одежду на фабрике химической чистки обработают Кремнийорганическими жидкостями... Этот же раздел химической науки подарил нам самые теплостойкие и в то же время самые морозостойкие синтетические каучуки. Температурный интервал работоспособности кремнийорганических каучуков от –80 до +260°C, и эти каучуки уже давно существуют не в виде экзотических лабораторных образцов, а в виде массовой промышленной продукции. Для современной электротехники очень важны кремнийорганические лаки, представляющие собой растворы кремнийорганических полимеров. Они обладают отличными электроизоляционными свойствами, устойчивы к атмосферным воздействиям, перепадам температур, солнечной радиации. Вот лишь один пример эффективности подобных материалов в технике. До внедрения кремнийорганических лаков изоляция электродвигателя врубовой машины в условиях шахты служила в среднем 5 месяцев. Когда в качестве изоляции стали применять кремнийорганический лак, срок службы двигателя до первого ремонта вырос до 3 лет. Подобных примеров можно привести десятки, и число их будет множиться с каждым годом: появляются новые вещества, в состав которых наряду с кремнием и традиционными элементами органического мира входят алюминий, титан и другие металлы. Каждый привносит в молекулу что-то свое, и на каком-то этапе количество переходит в качество. Многие известные ученые работали и продолжают работать в этой области химии. Советскую школу кремний-органиков возглавляет академик К.А. Андрианов, который еще в 1937 г. получил первые в мире кремнийорганические полимеры – полиорганосилоксаны. ^ В обзорной статье о кремнии, написанной еще лет десять назад, такой раздел был бы необязателен. Слишком мало знала наука о роли кремния в жизни высших животных и человека. Известно было, что кремний (его двуокись) составляет основу скелетов у некоторых морских организмов – радиолярий, диатомей, некоторых губок, морских звезд. Известно также, что он нужен растениям: от злаков и осоки до пальм и бамбука. Чем жестче стебель растения, тем больше в его золе находят кремния. Растения, как и морские животные, берут кремний из воды. И в пресной, и в соленой воде растворено около 3 мг/л кремния (в виде кремниевых кислот и их солей). Роль же кремния в жизни высших животных и человека долгое время оставалась неясной. Было широко распространено мнение о биологической инертности и бесполезности соединений кремния. Но, с другой стороны, давно известно серьезное заболевание – силикоз, вызываемое длительным вдыханием пыли, содержащей свободную двуокись кремния. Некоторые кремнийорганические соединения – арилсилатроны оказались токсичными для всех теплокровных животных. И в то же время известно, что в человеческом организме кремний есть практически повсеместно, больше всего – в костях, коже, соединительной ткани, а также в некоторых железах. При переломах костей содержание кремния в месте перелома возрастает почти в 50 раз. Минеральные воды с высоким содержанием кремния (например, известная кавказская вода «Джермук») оказывают благотворное влияние на здоровье людей, особенно пожилых. Нельзя сказать, что роль кремния в жизни выяснена уже окончательно – скорее, наоборот: появление новой информации все больше осложняет картину. Синтезом и исследованием биологически активных соединений кремния сейчас заняты во многих лабораториях мира. Очень активно работают над комплексом проблем, который кратко можно назвать так же, как названа эта глава, т.е. кремний и жизнь, сотрудники Иркутского института органической химии во главе с членом-корреспондентом Академии наук СССР М.Г. Воронковым. В одной из своих статей он писал: «Уже имеющиеся многочисленные наблюдения позволяют прийти к заключению о необходимости широких и тщательных исследований (в том числе на молекулярном уровне) роли кремния в живых организмах и изыскания возможностей использовать соединения этого элемента для лечения и профилактики различных заболеваний и травм, а также для борьбы со старением». Пояснения здесь, наверное, требует лишь последний тезис. Дело в том, что установлены возрастные особенности кремниевого обмена в организме: с возрастом содержание этого элемента в костной ткани, артериях, коже существенно уменьшается... Этот раздел наших знаний об элементе №14 еще не стал сводом общепринятых, устоявшихся истин. Но, очевидно, именно здесь проходит в наши дни передний край борьбы за познание кремния – ближайшего аналога углерода, жизненно важного элемента. ^ Природный кремний состоит из трех изотопов с массовыми числами 28, 29 и 30. Преобладает (92,27%) легкий изотоп – кремний-28. Известны также несколько радиоактивных изотопов кремния; долгоживущий лишь один кремний-32 с периодом полураспада около 710 лет. ^ Во всех природных соединениях кремний связан с кислородом. На долю кремнезема (во всех его разновидностях) приходится около 12% массы земной коры. Намного больше доля силикатов и алюмосиликатов: 75% массы земной коры составлено из этих соединений кремния, кислорода и других элементов, в первую очередь алюминия. Ферросилиций Сплав кремния с железом – ферросилиций широко используются в черной металлургии и для изготовления кислотоупорных изделий. Этот сплав готовят, прокаливая смесь двуокиси кремния, угля и железной руды в доменных или электрических печах. На ферросилиций с 15% Si не действуют большинство кислот; правда, он подвержен разрушению соляной кислотой. Чтобы ферросилиций был устойчив к действию и этой кислоты, нужно, чтобы в нем было не меньше 50% Si. ^ Это соединение, как и многие карбиды, отличается прочностью, твердостью, жаропрочностью и химической стойкостью. По твердости кристаллы SiC уступают лишь алмазу и боразону, но поскольку карбид кремния значительно дешевле, его широко применяют для обработки твердых материалов. Получают карборунд в реакции кварцевого песка с углем, проходящей в электрической печи при температуре около 2000°C. Чистый карборунд бесцветен, ему, как и кремнию, свойственны качества полупроводника. А еще это единственное соединение, в котором есть связь кремний – углерод и которое тем не менее не относят к кремнийорганическим соединениям. Очевидно, потому, что вообще все карбиды считаются неорганическими соединениями. ^ На спутниках, луноходах, космических кораблях и станциях установлены солнечные батареи, преобразующие в электричество лучистую энергию Солнца. В них работают кристаллы полупроводниковых материалов и в первую очередь кремния. При поглощении кванта света в таком кристалле освобождаются электроны. Если такие кристаллы составят довольно внушительных размеров панели, то нетрудно соединить проводником освещенный в неосвещенный участки. По проводнику потечет ток. Кремниевые преобразователи солнечной энергии в электрическую уже работают но только в космосе, но и на земле. А в павильоне «Космос» на ВДНХ их может увидеть каждый. ^ Перефразируя И.А. Крылова, можно сказать: «Что стекла разны, всякий знает». Что без стекла современному человеку пришлось бы худо, – тоже. Что в составе подавляющего большинства стекол есть двуокись кремния, тоже, пожалуй, знают почти все. А вот соотношение различных окислов в составе различных стекол известно лишь химикам. В «нормальном» стекле 75,3% SiO2, в бутылочном – 73, оконном – 72, электроламповом – всего 69,4%. Зато в высокопрочном стекле «пирекс», отличающемся также повышенной химической стойкостью, двуокиси кремния 80,9% – больше, чем в любом другом стекле, кроме, конечно, кварцевого... ^ Самый распространенный клей – силикатный, он же растворимое стекло, метасиликат натрия Na2SiО3. Это знает каждый школьник, но это не совсем верно. В растворимом стекле наряду с Na2SiO3 содержатся и более сложные силикаты натрия. Помутнение силикатного клея – результат отщепления части молекул SiO2. Этот клей плохо пристает к резине, потому его лучше держать в сосуде с резиновой, а не корковой или тем более стеклянной пробкой. ^ Некоторые соединения кремния газообразны при обычных условиях. Во-первых, это его тетрафторид – бесцветный газ с резким запахом, который переходит в жидкое состояние лишь при температуре –77°C под давлением 2 атм. Газообразны и два простейших кремневодорода – моносилан Sih5, аналог метана, и дисилан SiН6, аналог этана. Оба эти газа чрезвычайно легко окисляются и обладают малоприятными запахами. ^ Среди веществ состава SiO2 немало поделочных и полудрагоценных камней. Знаменитый лиловый аметист – это природный, окрашенный примесью марганца горный хрусталь. При нагревании до 300...350°C аметисты необратимо обесцвечиваются или даже желтеют. А аметисты, обесцвеченные рентгеновским излучением, способны восстановить свою изначальную окраску. Открыт в 1824 году в Швеции Й. Берцелиусом. В организме усваивается 4% от общего количества поступающего кремния. Максимальное количество кремния обнаружено в стенках аорты, трахеи, ткани сухожилий, лимфотических узлах. Кремний необходим для выработки коллагена – основного компонента соединительной ткани, обеспечивающей гибкость и эластичность суставов, хрящей, сосудов, кожи. Избыточное поступление кремния может повлечь за собой особое заболевание легких – силикоза. Недостаток кремния указывает на слабость соединительной ткани, склонность к заболеваниям волос, ломкости ногтей. При дефиците кремния замечается плохое заживление ран и срастанию сломанных конечностей. Снижается неспецифическая сопротивляемость организма к новообразованиям, инфекционным и воспалительным заболеваниям. Нетоксичен для человека. ^ - старение, быстрый рост- физические перегрузки- растения, питьевая вода с пониженным/высоким содержанием Si- запыленность жилого помещения Дисбаланс кремния отражается на:- иммунной системе (снижение сопротивляемости к заболеваниям, риск новообразований)- костной ткани (остеопороз, парадонтоз, артрозы, склонность к травмам)- сосудах (ранний атеросклероз, повышенный уровень холестерина)- легких (болезни легких, верхних дыхательных путей)- кожи (сухость)- волосах (выпадение, ломкость)- ногтях (дистрофия, плохой рост)- желудочно-кишечном тракте (воспалительные процессы) | |||||||
do.gendocs.ru
