Олово.

Олово наряду со свинцом, железом, золотом, ртутью, медью, серебром входит в число «семи металлов древ­ности». Оно известно человечеству по крайней мере с середины III тысяче­летия до н. э. Люди обнаружили, что добавка к меди 5—10% олова повы­шает её прочность и несколько сни­жает температуру плавления: чистая медь плавится при 1083 °С, а медь, со­держащая 10 % олова, — при 1005 °С. В природе олово встречается в ви­де минерала касситерита (от греч. «касситерос» — «олово») SnO₂, место­рождения которого довольно редки: в древности его добывали лишь в Испа­нии, на Кавказе и в Китае. Как свиде­тельствует гомеровский эпос, олово ценилось ещё во времена Троянской войны. Плиний Старший в «Естествен­ной истории» рассказывает, что «бе­лый свинец» (так он называет олово) «...рождается в Луситании и в Каллекии (римских провинциях на Пиренейском полуострове. — Прим. ред.), на поверхности земли, песчаной и чёр­ного цвета... Горняки промывают эти пески и то, что оседает, плавят в пе­чах...». При прокаливании смеси касси­терита с углём олово, благодаря низ­кой температуре плавления (232 °С), легко отделялось. Так получают его и в наши дни.

Германий относится к числу элемен­тов, которые сначала были предска­заны Д. И. Менделеевым и лишь затем открыты. Менделеев поместил эле­мент, названный им экасилицием, в подгруппу углерода.

В 1885 г. австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах (1858—1929), изу­чая состав нового минерала серебра, обнаружил, что в нём содержится около 7% какого-то неизвестно­го элемента. Вскоре немецкому учё­ному Клеменсу Александру Винклеру (1838—1904) удалось выделить его в виде простого вещества. Он назвал элемент германием (Germanium) в честь своей родины.

Германий встречается в виде при­меси к полиметаллическим, никеле­вым, вольфрамовым рудам, а также в силикатах. В результате сложных и трудоёмких операций по обогаще­нию руды и её концентрированию германий выделяют в виде оксида GeO₂, который восстанавливают во­дородом при 600 °С до простого ве­щества: GeO₂+2Н₂=Ge+2Н₂О.

Обычное оконное стекло — это силикат состава Na₂O•СаО•6SiO₂. Стекло — аморфный материал, представляющий собой переохлаждённую жидкость. Иногда в стекле возникают области кристаллизации, что приводит к потере прочности. Получают стекло сплавлени­ем кварцевого песка SiO₂, известняка СаСО₃ и соды Na₂CO₃:

Na₂CO₃+CaCO₃+6SiO₂= Na₂O•СаО•6SiO₂+2СО₂­.

Процесс осуществляют в печах при температуре 1100—1600 °С, после че­го образовавшуюся стекломассу по­степенно охлаждают.

Окрашенные стёкла получают вве­дением в шихту (смесь исходных мате­риалов) различных оксидов: NiO прида­ёт стеклу разнообразную цветовую гамму — от фиолетовой до жёлтой и се­ро-коричневой, Сr₂О₃ сообщает ему травянисто-зелёную окраску, CuО или СоО — синюю, оксиды железа — от голубовато-зелёной (FeO) до красно-бу­рой (Fe₂O₃), Mn₂O₃ — фиолетовую или пурпурную, Cu₂O — красную, Sb₂O₃ —

жёлтую, U₃O₈ — желтовато-зелёную (урановое стекло), коллоидные раство­ры меди и золота — рубиново-красную («медный рубин» и «золотой рубин»). Молочное стекло образуется при вве­дении в шихту порошка полевого и пла­викового шпатов.

Если в крепкий раствор силиката натрия Na₂SiO₃ опус­тить кристаллы солей железа, меди, кобальта, никеля, марганца, кальция, алюминия, то через некоторое вре­мя в стакане вырастет... разноцветный «сад»! Можно за­метить, как от упавшего на дно стакана кристаллика соли отрывается пузырёк воздуха, который, поднимаясь к по­верхности, как бы вытягивает из кристалла тончайшую полую внутри трубку-мембрану, состоящую из плёнки кремниевой кислоты и гидроксида металла. «Сад» рас­тёт благодаря тому, что концентрация раствора Na₂SiO₃ внутри каждой такой трубки значительно ниже, чем за её пределами. Это своеобразный пример осмоса — само­произвольного перехода молекул растворителя через полупроницаемую мембрану. Быстрее всего «прораста­ют» соли трёхзарядных катионов — железа и алюминия:

2FeCl₃+2Na₂SiO₃+3H₂O=2Fe(OH)₃¯+3H₂SiO₃¯+6NaCl

Керамикой (от греч. keramos — «глина») называют изделия из глины, закреплён­ные обжигом. К видам керамики отно­сят гончарные изделия, терракоту, май­олику, фаянс, фарфор и каменную массу.

Майоликой называют тяжёлые, крупнопористые керамические изде­лия, покрытые непрозрачной эмалью. Благодаря обжигу при сравнительно невысокой температуре изделия из майолики сохраняют красивые яркие краски. Расцвет этой техники пришёл­ся на XV—XVII вв., позже её вытесни­ли фаянс и фарфор.

Фарфор — это керамические изде­лия, выполненные из смеси белой гли­ны с полевым шпатом и кварцем, под­вергнутые высокотемпературному обжигу и отличающиеся непористым строением. Сформованное изделие до­водят до начала спекания, что делает его влагонепроницаемым. С химиче­ской точки зрения фарфор представляет собой стекловидную алюмосиликатную массу с включениями кристал­лов муллита ЗAl₂О₃•2SiO₂ и зёрен кварца. Предметы из тонкого фарфо­ра просвечивают. Обычно их покрыва­ют сверху глазурью и подвергают по­вторному обжигу.

Кристаллический кремний.

Кварц, горный хрусталь, аметист, хал­цедон, топаз, оникс... Трудно пове­рить, но все эти и многие другие «чу­деса подземного мира» состоят из одного и того же вещества — кремне­зёма, или оксида кремния(IV) SiO₂. Предположения о том, что в крем­незёме содержится новый, ещё неиз­вестный элемент, высказывались учё­ными уже в XVIII столетии. Однако в виде простого вещества кремний был выделен лишь в XIX в. Й. Я. Берцели­усом. Вначале он нагревал смесь крем­незёма с порошком железа и углём до 1500 °С, но чистый кремний получить не удавалось: в присутствии железа об­разуется ферросилиций — сплав, со­держащий оба эти элемента. Поняв, в чём ошибка, Берцелиус изменил спо­соб синтеза. В 1823 г., когда он про­пустил над калием пары фторида кремния(IV), удача наконец улыбну­лась ему. По реакции SiF₄+4К=Si+4KF был получен порошок аморф­ного кремния. Берцелиус доказал таже, что, сгорая на воздухе, кремний переходит в кремнезём.

На основе графита в наши дни произ­водится множество различных мате­риалов. Наиболее известен графлекс (от англ. flexible graphite — «гибкий графит»), или пенографит. Для его получения порошок графита пропиты­вают азотной кислотой, а затем быст­ро нагревают в восстановительной среде. При этом происходит разложе­ние азотной кислоты, и под давлением образующихся газов слои графита рас­щепляются и разрываются на хлопья. Получившийся высокопористый мате­риал проходит прокатку и штамповку. Графлекс не подвержен коррозии и применяется в качестве уплотнителя там, где из-за действия высокой темпе­ратуры нельзя использовать резину или металлы.

Стеклоуглерод — продукт пироли­за (нагревания без доступа воздуха до температуры 800 °С) феноло-формальдегидных смол. Этот материал химически стоек к действию кислот и щелочей. Выполненная из него посуда по многим свойствам не уступает платиновой.

Усилия многих учёных — физиков, хими­ков, материаловедов — направлены на развитие нанотехнологии — технологиче­ских процессов, осуществляемых на моле­кулярном уровне. Греческая приставка «нано-» означает одну миллиардную часть, т. е. 10^-9 (например, 1 нм = 10^-9 м).

В 1991 г. японские учёные на стенках прибора, в котором проводили синтез фуллеренов, обнаружили наночастицы уг­лерода — полые углеродные трубки диа­метром 3—1 0 нм, их стенки состоят все­го из нескольких слоёв атомов. С одной стороны каждая такая трубка закрыва­ется «крышкой», которая является не чем иным, как фрагментом структуры фуллерена. Существуют и однослойные нанотрубки — их диаметр всего 0,9 нм. Специ­алисты предполагают, что нанотрубки, подобно графиту, должны хорошо прово­дить электрический ток, а возможно, и яв­ляться сверхпроводниками. Изучение этих интересных объектов только начинается.

Нанотрубки.

На основе фуллеренов получены полимерные материалы; разрабатыва­ются методы синтеза металлофуллеренов — соединений, содержащих в центре оболочки из атомов углерода атомы металлов (например, лантанидов). Фторированные фуллерены (в частности, C₆₀F₄₈) способны служить катодом в литиевых гальванических элементах, где электрический ток воз­никает в результате реакции C₆₀F₄₈+xLi=C_b0F_48-x+xLiF. Появилась возможность разработки на основе фуллеренов запоминающих устройств со сверхвысокой плотностью информации. Это позволит поместить на один диск огромное количество данных. С использованием фуллеренов предполагается создавать сверхпроводящие материалы, лекарства с про­тивоопухолевой активностью, фотоприёмники, красители.

Графит — наиболее устойчивая при комнатной температуре аллотропная модификация углерода. Теоретически все алмазы должны были уже дав­но превратиться в графит, но с заметной скоростью такая реакция идёт лишь начиная с температуры около 1000 °С, а при 2000 °С она происхо­дит почти мгновенно. Однако с практической точки зрения гораздо боль­ший интерес представляет обратный процесс — превращение графита в алмаз. Это становится возможным при температуре около 3000 °С и дав­лении 3•10⁶ атм. К сожалению, алмазы, которые удаётся получить из гра­фита, обычно очень мелкие и невысокого качества. Они могут быть ис­пользованы лишь для технических целей.

В XVII—XVIII вв., в период расцвета теории флогистона, считали, что уголь полностью состоит из этого таинственного вещества: ведь при горении угля почти не образуется твёрдого остатка. И только A. JI. Лавуазье, изучая горение угля на воздухе и в кислоро­де, пришёл к выводу, что уголь — все­го лишь простое вещество. Лавуазье назвал новый элемент Carboneum вме­сто старого латинского названия car-bone pur — «чистый уголь», которым долгое время пользовались химики. 

Алмаз является одним из самых твёрдых и тугоплавких (t_пл>4000 °С) веществ. В то же время алмаз хрупок: его довольно легко расколоть на части. Аля этого ювелиры пользуются ножом, по которому ударяют молотком. Немногие знают, что алмаз обладает очень высокой теплопроводностью — проводит тепло лучше, чем многие металлы (в 4 раза лучше Cu). В то же время он не проводит электрический ток.