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.

Подобно своим предшественникам по подгруппе, таллий тоже был обна­ружен с помощью спектроскопа. Анг­лийский химик Уильям Крукс (1832— 1919) занимался извлечением селена из отходов сернокислотного произ­водства. В 1861 г. учёный решил про­анализировать собранную им пыль, содержащую селен, — он задался воп­росом, нет ли в ней примеси теллура. Каково же было изумление Крукса, когда в спектроскопе он увидел не­знакомую ему линию ярко-зелёного цвета, которая принадлежала новому химическому элементу. Его название происходит от греч. «таллос» — «зелё­ная ветка».

Таллий — это серебристо-белый металл с голубоватым оттенком (t_пл=303 °С). В отличие от алюминия,

индия и галлия, оксидная плёнка не спасает его от окисления: на воздухе он быстро темнеет, покрываясь тон­ким слоем оксида Тl₂О. Хранят таллий, как и щелочные металлы, в керосине.

В 1863 г., исследуя с помощью спект­роскопа цинковую обманку, директор Фрайбергской горной академии (Гер­мания) Фердинанд Райх (1799—1882) и его ассистент Теодор Иероним Рих­тер (1824—1875) обнаружили две ли­нии интенсивного синего цвета, сход­ного с цветом красителя индиго. Эти линии принадлежали новому элемен­ту, получившему наименование «ин­дий» (от названия «индиго», которое в свою очередь происходит от лат. indikus — «индийский»).

Соединения индия встречаются в незначительном количестве в свинцово-цинковых и медных сульфид­ных рудах.

Чистый индий — пластичный се­ребристо-белый металл (t_пл=157 °С), устойчивый на воздухе и настолько мягкий, что легко режется ножом.

Индий, как и галлий, используется для получения полупроводниковых материалов: InAs, InSb и др. Введение индия в кремний и германий улучша­ет их полупроводниковые свойства. Плёнки из оксида индия применяют в электронике в качестве прозрачных электропроводящих покрытий для экранов дисплеев, фотоэлементов.

Галлий принадлежит к числу элемен­тов, открытие которых было предска­зано Д. И. Менделеевым. В 1871 г. учёный определил его место в пери­одической системе, описал основ­ные свойства и даже предположил, что элемент откроют методом спект­рального анализа. Слова великого химика оказались пророческими.

Прокаливая на воздухе смесь глины, угля и сульфата натрия, можно получить синюю краску — ультрамарин. Раньше его использовали и для отбеливания белья, льна, крахмала. Примерный состав ультрамарина соответствует формуле Na₈Al₆Si₆О₂₄S. Окраска этого вещества обусловлена наличием в нём атомов серы (точнее, групп S^-2, S^-3), расположенных а полостях алюмосиликатного каркаса. Под действием соляной кислоты ультрамарин обесцвечивается с выделением сероводорода. В щелочной среде ультрамарин устойчив.

В лабораторной практике в качестве восстановителя обычно используют не чистый алюминий, а сплав Деварда, содержащий 50% меди, 45% алю­миния и 5% цинка. Этот сплав, легко растирающийся в порошок, вытес­няет водород не только из разбавленных кислот, но и из воды. Активным веществом, входящим в его состав, является всё тот же алюминий, одна­ко в контакте с медью его восстановительные свойства возрастают (об­разуется медно-алюминиевый гальванический элемент). Сплав Деварда восстанавливает в щелочном растворе нитрат- и нитрит-ионы до аммиа­ка, что используется в химическом анализе.

«Если металлический алюминий облить (или даже просто смочить) раство­ром сулемы (дихлорида ртути HgCl2. — Прим. ред.), ртуть восстановляется и даёт амальгаму, в виде которой алюминий окисляется очень лег­ко и разлагает воду при обыкновенной температуре...

При обыкновенной температуре металлический алюминий воды не раз­лагает, но если к ней прибавить немного иода, или йодистого водорода и иода, или йодистого алюминия и иода, водород в обилии выделяется», — читаем в «Основах химии» Д. И. Менделеева.

Лишённый оксидной плёнки, алюминий активно взаимодействует с во­дой: 2Al + ЗН2О=2АКОН)3¯+3Н2­, а на воздухе быстро окисляется, при этом металл нагревается и обрастает белой «бородой» оксида: 4Al + 3О2=2Al2О3. Оксид и гидроксид алюминия амфотерны, т. е. вступают в реак­цию как с кислотами (с образованием солей алюминия, например AlCl3), так и с щелочами (образуя алюминаты: Na[Al(OH)4] — в растворе или NaAlO2 — при сплавлении с твёрдой щёлочью). Интересно, что выдержан­ный при высоких температурах Al2О3 становится инертным — утрачивает способность к взаимодействию даже с концентрированными кислотами.

Алюмотермией называют метод восстановления ме­таллов из оксидов порош­ком металлического алю­миния. Так можно получить корольки (маленькие слит­ки) многих переходных ме­таллов, например хрома, марганца, ванадия, железа:

2Al+Fe2O3=Al2O3+Fe. Если поджечь с помощью магниевой ленты смесь, состоящую из алю­миния и оксида железа, а после этого остывший ти­гель разбить молотком, из образовавшейся массы (пе­ка) нетрудно извлечь коро­лёк металла.