Оповідання з хімії

Кремнійовий світ

Початок становлення людини на нашій планеті — кам’яний вік — завжди пов’язують з появою кам’яних знарядь. У краєзнавчих музеях виставлені безформні осколки каменів, на яких тільки після уважного огляду можна помітити сліди обробки. Кремінь був першим матеріалом, який людина використовувала в своїй свідомій трудовій діяльності.

Оскільки кремінь (двоокис кремнію) в основному складається з двох елементів — кисню й кремнію, — то можна сказати, що це були два елементи, з якими вперше ознайомилась людина. Навряд чи можна вважати це випадковістю. Саме ці два елементи й повинні були першими «потрапити до рук» людини.

Кисень і кремній дістали назву елементів-гігантів. Три чверті земної кори, тобто всього, що входить до складу гірських порід, морів, океанів і атмосфери, складається з цих двох елементів: 49,13 % припадає на кисень, 26 % — на кремній. Вміст переважної більшості інших хімічних елементів виражається числами, де попереду стоять нулі.

Кожний шостий атом тієї матерії, з якої складається навколишній світ, є атом кремнію. Чи варто дивуватися, що саме кремній був елементом, «впровадженим у виробництво» ще первісною людиною? Всі типи житла, за винятком куренів первісних людей і наметів сучасних туристів, завжди споруджували з матеріалів, в основі яких лежали сполуки кремнію. Піраміда Хеопса і собор Василія Блаженного, палаци царя Дарія і нові будинки на Хрещатику — всі вони в основному складаються з двоокису кремнію — тієї комбінації кисню і кремнію, в якій переважно зустрічаються на поверхні нашої планети ці два елементи-гіганти.

Людина навчилася варити скло, опанувавши при цьому ще одну величезну галузь застосування кремнію. Скляні вироби в побуті, так само як витончена фарфорова статуетка на полиці і внутрішнє облицювання домни — це знову-таки сполуки кремнію, різноманітності яких можна дивуватись.

Певно, нема якогось іншого елемента, що відіграв би таку велику роль у житті людини, як кремній. Тому серед 102 відомих нам елементів періодичної системи можна було б назвати дуже мало таких, які були б вивчені краще, ніж кремній. Тільки в нашій країні виходить кілька журналів, спеціально присвячених сполукам кремнію. Можна уявити собі, скільки стало відомо про цей елемент за весь час існування фізики й хімії!

Систематичне вивчення хімії кремнію почалося на початку минулого століття. Природно, що з часом у цій галузі важливі відкриття з’являлися все рідше й рідше, і тому деякі вчені почали дивитись на цей розділ хімії дещо скептично. Почали ширитись заклики припинити вивчення хімії кремнію заради вивчення властивостей малодосліджених елементів.

Один видатний закордонний хімік так прямо й писав у 1935 p.: «Хімія кремнію нагадує мені шахту, де вугілля поступово вичерпується: і кидати таку шахту шкода, і експлуатація стає нерентабельною. Чи не краще залишити в ній невелику бригаду «шахтарів», а всім іншим піти на розшуки менш досліджених родовищ?» І багато хто з хіміків відгукнувся на цю пораду. Що ж, звинувачувати їх не слід, бо романтика незвіданого принадна сивому хімікові не менше, ніж підліткові.

І ось у тематиці багатьох лабораторій поступово слово «кремній» замінили назвами інших елементів. Те саме сталося і з галогенами, натрієм та ін., хімія яких була вивчена в достатній мірі. Повторюю, не слід вбачати тут щось погане: завдяки цьому за останні десятиліття дуже пішло вперед вивчення елементів, про які раніше знали дуже мало.

А все же поговоримо зараз про дослідників «старих шахт».

Кремній — вуглець

Якщо взяти кілька підручників неорганічної або загальної хімії 20-х — початку 30-х років, то у викладі цілого ряду розділів, і в тому числі хімії кремнію, можна помітити деякий шаблон. Йде опис його сполук: силіцидів — сполук елементів з кремнієм, потім галогенидів — сполук кремнію з фтором, хлором, бромом і йодом, далі силанів — сполук з воднем, нарешті — силікатів, тобто похідних кремнійової кислоти. І все. Тільки в небагатьох книгах після викладу всіх цих розділів ішло кілька рядків під заголовком «Кремнійорганічні сполуки». Тут у «двох словах» говорилось, що кремній може утворювати органічні сполуки, в яких він виступає як аналог вуглецю. І навряд чи тоді можна було сказати про ці сполуки більше. А говорити про них варто було хоч би тому, що в кремнійорганічних сполуках проявляється чудова властивість.

Хтось із літературознавців сказав, що існує 16 різновидностей сюжетів усіх науково-фантастичних повістей і оповідань. Не знаю, чи це так, але одне можу підтвердити — приблизно з тридцятих років почала з’являтися велика кількість фантастичних творів, де головним героєм був… кремній. Причина цього досить проста: кожному, хто хоч у загальних рисах обізнаний з хімією, впадає в очі таке, здавалося б, ненормальне становище: неорганічних сполук, тобто сполук всіх елементів, за винятком вуглецю, відомо в наш час трохи більше п’ятдесяти тисяч, а органічних, вуглецевих, сполук хіміки одержали більше трьох мільйонів. Один елемент дає сполук у 60 раз більше, ніж усі інші! Ця виключна властивість вуглецю пояснюється його здатністю утворювати сполуки, які містять практично необмежену кількість атомів вуглецю в молекулі.

Справді, візьмемо будь-яку неорганічну сполуку, ну скажімо, сірчану кислоту (H₂S0₄). Атомів водню в ній 2, кисню 4, а центральних, тобто сірки, які організують, цементують цю молекулу, лише 1. У неорганічній природі можна знайти дуже мало прикладів, коли атоми одного й того ж елемента сполучаються один з одним у ланцюжок. У кращому разі такий ланцюжок налічує 2–3 атоми і сполуки, які містять його, дуже нестійкі. Прикладом цього можуть бути водень і кисень. Сполука Н — О — Н — вода — дуже стійка, а перекис водню Н — О — О — Н з мінімальним ланцюжком у два атоми кисню часто вибухає навіть при кімнатній температурі. Тільки вуглець може утворювати сполуки з дуже довгим ланцюжком вуглецевих атомів. Вуглеводень етан СН₃—СН₃ дуже стійкий навіть при високій температурі. Вуглеводень гектан СН₃—(СН₂)₉₈—СН₃, з ланцюжком із 100 атомів вуглецю, не набагато менш стійкий.

Атоми вуглецю можуть сполучатися не тільки рівним ланцюжком. Можливі сполуки зовсім однакового складу, але різної будови, а це значить — з іншими властивостями. Так, для вуглеводню С₄Н₁₀ можливе існування двох ізомерів:

У сполуки С₅Н₁₂ є вже три ізомери, для вуглеводню складу С₁₄Н₃₀ можливі 1858 ізомерів, для сполуки С₂₀Н₄₂ — 366319. Для наступних — вже мільйони. Вуглеводні — прості сполуки і складаються лише з двох елементів. Коли ж ми переходимо до сполук, які складаються з більшої кількості елементів, то різноманітність їх збільшується безмірно.

Хіміки ще в середині минулого століття, а автори науково-фантастичних творів років на 80 пізніше задумались над таким питанням: чи може який-небудь елемент, крім вуглецю, мати такі властивості? Увага вчених і письменників спрямувалась на кремній. Хід їхніх думок очевидний: саме цей елемент — найближчий аналог вуглецю за періодичною системою елементів і саме від нього слід чекати виявлення властивостей, подібних до властивостей вуглецю. А якщо так, то… уява літераторів-фантастів нестримно рвонулася вперед. З’явилися цілі світи, де все побудовано так само, як і в нас, лише в органічній природі всі атоми вуглецю замінені кремнієм. У результаті такої заміни тіла живих організмів складалися з білка, який своєю міцністю не поступався земній броні, рослини нагадували собою каміння, а розумні істоти… Правда, жоден з авторів цих творів чомусь не вказав, що в цих розумних істот при диханні з рота повинна сипатись весь час пилюка — двоокис кремнію, бо замість вуглекислого газу вони видихали б саме цю сполуку.

Загальній кремнійовій спокусі піддався навіть видатний наш письменник-фантаст І. О. Єфремов у повісті «Зоряні кораблі», змалювавши чужинця з кремнійового світу.

Захоплення хіміків-експериментаторів були далеко не гарячими. Кремній виявив всі властивості, які він повинен був мати як елемент IV групи, наступний за вуглецем. Але в здатності утворювати ланцюжки він був мало подібним до вуглецю.

Сполуки кремнію з воднем, кремневодні, або силани, — аналоги вуглеводнів, виявились дуже нестійкими сполуками, що легко спалахують на повітрі. Найбільший ланцюжок, який вдалося реалізувати, це сполука з 6 атомами кремнію: Si₆H₁₄. У складніших сполуках, наприклад, силанах, де атоми водню замінені на вуглеводневий радикал, зовсім не вдалося одержати сполук із зв’язком кремній — кремній Si — Si. Крім того, виявилось, що кремній майже не може утворювати сполук, де два атоми кремнію були б зв’язані подвійно (Si = Si), двома одиницями валентності, в той час як для вуглецю такі сполуки зустрічаються чи не частіше, ніж сполуки з одинарним зв’язком. І все-таки кремній більше, ніж будь-який інший елемент, подібний до вуглецю! Подібність ця виражена насамперед здатністю утворювати сполуки, в яких атоми його зв’язані з атомами вуглецю. Це не повністю «кремнійові сполуки», а так звані кремнійорганічні. Ось про них і поведемо розповідь.

Мрії матеріалізуються в колбах

Письменники-фантасти з усіма подробицями описали кремнійовий світ, у всіх речовинах якого елемент вуглець замінений кремнієм. Це дивовижні й захоплюючі описи.

Хіміки теж дуже добре уявляли собі, яким має бути кремнійовий світ. Правда, при цьому вони не переносились в уяві на інші планети або галактики. Ні, вони керувались вимогами сучасної техніки, вимогами сучасного життя. Хіміки, як і автори науково-фантастичних творів, знали — кремнійові сполуки повинні мати багато цінних властивостей і найважливішу з них — міцність, тому до їх одержання варто докласти зусиль.

Нема потреби розглядати всі способи, застосовувані сучасною хімією для одержання різних кремнійорганічних сполук. Це привело б нас до вузькоспеціальних термінів і визначень, які в даному разі мають для нас другорядне значення. Скажемо тільки, що і в лабораторіях, і на заводах основною вихідною речовиною для одержання кремнійорганічних сполук є чотири хлористий кремній — речовина, названа так тому, що кожна молекула її містить 1 атом кремнію і 4 атоми хлору. Ця речовина на повітрі дуже димить, бо атоми хлору легко відщеплюються під дією води або подібних їй речовин. Під впливом вологи повітря чотирихлористий кремній відщеплює хлористий водень; він і утворює ДИМ.

Ось ця властивість чотирихлористого кремнію — легке відщеплювання атомів хлору — і використовується для синтезу кремнійорганічних сполук. Так, наприклад, при взаємодії чотирихлористого кремнію з етиловим спиртом С₂Н₅ОН (етиловий спирт подібний до води; він відрізняються від неї тільки тим, що у нього замість атома водню стоїть вуглеводний радикал С₂Н₅) утворюється кремнійоргапічна сполука (C₂H₆O)₄Si — етиловий ефір ортокремнійової кислоти, або тетраетоксисилан. Це, звичайно, найпростіший приклад. Переважну більшість кремнійорганічних сполук добувати значно складніше.

Вперше систематичні дослідження методів одержання різних кремнійорганічних сполук стали проводити у нас, в Радянському Союзі. Піонерами цих досліджень були вчені Б. М. Долгов, К. А. Андріанов і О. П. Крєшков. Завдяки їм синтезовано багато кремнійорганічних сполук з найрізноманітнішими властивостями. Професор Б. М. Долгов у 1933 р. писав: «При існуючому розмахові соціалістичного будівництва та гнучкості індустрії СРСР кремнійорганічний препарат знайде широке застосування».

А за кордоном навіть через чотири роки після опублікування в пресі наведеного вислову Б. М. Долгова писали:

«Оскільки незначна кількість відомих кремнійорганічних сполук дуже обмежена в своїх реакціях, то перспектива якогось швидкого і значного просування в цій галузі хімії не здається дуже надійною». Так писав відомий англійський хімік Кіппінг. Саме в цей час у Радянському Союзі видали ряд патентів на відкриття, присвячені різним застосуванням кремнійорганічних сполук у техніці.

Тепер, через 20 років після того, як почались систематичні й широкі дослідження щодо застосування кремнійорганічних сполук у техніці, важко навіть перелічити всі галузі їх застосування.

Ворог води

У вересні 1958 р. в будинку Академії наук СРСР в Ленінграді проводилась нарада з хімії кремнійорганічних сполук.

Піднімаючись широкими сходами до знаменитої мозаїки Ломоносова «Полтавський бій», я почув незвичну для наукових установ голосну розмову і веселий сміх. Причиною такого збудження було те, що в залі, де відбувались засідання і експонувалась виставка, присвячена різним галузям застосування кремнійорганічних сполук, один молодий чоловік зняв з манекена та надів на себе пальто, став ногами в таз, а на нього з відра лили воду. Після чергового відра води учасники наради мацали полите пальто. Помацав його і я. Матеріал був абсолютно сухим. Пальто не вбирало аніскільки вологи, що потрапляла на нього.

Прекрасний експонат, але скільки затрачено напруженої роботи.

Почалося, здається, з дрібниці. У багатьох лабораторіях, де займалися синтезом кремнійорганічних сполук, часто можна було спостерігати, як лаборант лаявся, старанно миючи колби. При зіткненні з деякими кремнійорганічними сполуками скляний посуд ставав майже непридатним для роботи, бо вода й інші рідини не змочували скло. Вода на поверхні скла збиралась у краплини і взагалі поводила себе дуже незвично з точки зору хіміків. Знищення плівки досягалося з великими труднощами і вимагало великої затрати часу, протягом якого можна було вволю відпускати непохвальні епітети на адресу не до речі забруднених колб.

Та хімікам треба було не гніватись, а радіти. Життєва мудрість «Не знаєш, де загубиш, а де знайдеш» виявилася справедливою і цього разу. Хіміки «загубили» час на митті посуду, зате «знайшли» новий універсальний засіб боротьби з водою.

Адже дощ, який докучає туристам, густий туман, що осідає додатковою вагою на сірих солдатських шинелях, водяні патьоки на вітровому склі автомашини, що примушують шофера до краю напружувати зір, проводи, які рвуться під вагою льодяних бурульок, брудні розводи на фасадах будинків, бурі плями іржі на металевих предметах — все це вода, з якою треба боротися.

Ось тут і стали в пригоді сполуки кремнію. Багато речовин, підданих обробці кремнійорганічними сполуками, ставляться до води різко вороже. Досить на поверхню скла, будівельних матеріалів, тканин нанести плівку кремнійорганічних сполук і вони не намокатимуть. Вода не тільки не вбиратиметься ними, а навіть не затримуватиметься ні на хвилинку, бо поверхня відштовхує воду.

Плівка ця дуже тонка. В поперечному перетині її міститься від однієї до кількох десятків молекул речовин, з якої вона складається. Такої мізерної кількості виявляється цілком досить, щоб зробити матеріал несприйнятливим до води. Так, наприклад, 1 г диметилдихлорсилану може захистити тисячу квадратних метрів оброблюваного матеріалу.

Кожному, хто більш-менш докладно знайомий з хімією, відомий такий дослід: скло, розтерте на порошок, декілька хвилин кип’ятять у звичайній воді; вода, злита після досліду, показує лужну реакцію, бо при кип’ятінні скла з нього вимились сполуки натрію. Отже, скло тільки зовні стійке до води. Така властивість скла для тих, кому доводиться мати справу з скляними приладами, дуже неприємна. Очевидно, багатьом із вас доводилось бачити, як скляні деталі в оптичних приладах — лінзи, призми — мутнішають, жорсткішають і чудові мікроскопи стають непридатними для роботи. Незначна кремнійорганічна плівка на поверхні скла цілком ліквідує цю вікову ваду скляних виробів.

Покриття оптичного скла плівкою кремнійорганічних сполук привело до дуже важливого відкриття. Академік І. В. Гребенщиков, досліджуючи захисні властивості кремнійорганічних плівок, виявив, що більшість із них має дуже важливу для оптичних приладів особливість — зменшує кількість відбитого склом світла.

Як відомо, будь-яка фізична поверхня, в тому числі і найпрозоріше скло, відбиває більшу або меншу частину променів, які попадають на неї. Непрозора поверхня відбиває багато, прозоре скло порівняно малу кількість — до 4 %. Але в тих оптичних приладах, де кількість лінз велика, ці 4 % для кожної з них плюсуються і перетворюються в чимале число, яке дуже обмежує теле- і мікроскопію.

Наприклад, перископ втрачає до 3/4 світла, яке потрапляє в нього.

Відкриття І. В. Гребенщикова дозволяло створити так звану «просвітлену» оптику. Тепер майже всі мікроскопи і фотоапарати випускаються нашою промисловістю з «просвітленими» лінзами.

Покриття скла кремнійорганічною плівкою дозволяє простежити ряд дуже важливих явищ. На рисунку зображена гідрофобна скляна пластинка. Ми бачимо, що вода не розтікається по цій пластинці, а збирається в краплини-кульки. Те ж саме можна спостерігати в експериментах з іншими речовинами, які не змочують звичайне скло, наприклад, з ртуттю. Якщо налити води в пробірку, гідрофобізовану кремнійорганічними сполуками, то утворюється не увігнутий, як звичайно, а випуклий меніск. Якщо таку пробірку з стінками, що не змочуються, покласти горизонтально на стіл, вода з неї не виллється, бо ненамокаюча поверхня її чинить сильний опір рухові води. Більш того, якщо пробірку нахилити на 10–15°, як це показано на рисунку, то й тоді вміст її не виллється.

Гідрофобний скляний посуд стали застосовувати в медицині. Виявилось, у цьому посуді кров для переливання хворим зберігається значно довше, ніж у звичайному скляному.

У пресі з’явились повідомлення, що деякі іноземні фірми використали властивість кремнійорганічних плівок давати незмочувані водою поверхні для виготовлення столового і чайного фарфорового та фаянсового посуду. Витирати рушником після миття цей посуд не потрібно: зразу ж після споліскування його водою він стає сухим, бо волога на ньому не затримується. Правда, перший час користуватися таким посудом неприємно. Уявіть собі, борщ у тарілці випинається горбом; щоб випити весь чай із склянки, її треба перевернути вверх дном. Скло знайшло вірного захисника в особі своїх родичів — кремнійорганічних сполук. Я називаю їх родичами, бо і скло, і кремнійорганічні сполуки в своїй основі мають елемент кремній.

У вересні 1953 р. один з будинків по вулиці Воїнова в Ленінграді став об’єктом тривалого дослідження, що закінчилось тільки через 4 роки. Фасад цього будинку при фарбуванні покрили 4–5-процентним розчином кремнійорганічної сполуки метилтрихлорсилану. Тепер цей будинок став привертати загальну увагу. Після дощу, — а в в Ленінграді, як відомо, опадів багато, — фасад цього будинку відрізняється від сусідніх. У той час як з сусідніх будинків ще довго стікає вода і облицьовка залишається вологою, згаданий будинок через кілька хвилин після дощу такий же сухий, як і в жаркий безхмарний день. Через 4 роки фарба на ділянках фасаду, покритих кремнійорганічною плівкою, була наче нанесена тільки вчора, а на непокритих ділянках її повністю змило.

Покриття фасадів будинків захисною гідрофобною плівкою вперше запроваджене в Радянському Союзі групою вчених під керівництвом Б. М. Долгова і М. Г. Воронкова. Після дослідів, тільки що описаних нами, перейшли до експериментів широкого масштабу. Кремнійорганічною плівкою покрили ряд історичних будинків Ленінграда: Мармуровий палац, де тепер міститься філіал центрального музею В. І. Леніна, Російський музей та ін.

Найважливіша властивість водозахисних плівок — міцність. Такі плівки руйнуються тільки від сильних хімічних агентів — сильних кислот або концентрованих лугів. Але ж вони безумовно не загрожують стінам міських будинків.

Ось чому метод захисних покрить застосовується дедалі більше.

Кремнійорганічні сполуки дозволяють будівельникам внести в практику новий будівельний матеріал. Природний гіпсовий камінь — дуже красивий оздоблювальний матеріал. Він легко піддається обробці, легко фарбується і значно дешевший від інших облицювальних матеріалів, таких, як граніт і мармур. Природний гіпс зустрічається у великих кількостях у багатьох місцях нашої країни. Виникає запитання: чому ж гіпс не застосовується замість граніту і мармуру? Справа в тому, що сірчанокислий кальцій, з якого в основному складається гіпс, з точки зору хіміків мало розчиняється у воді — лише два грами на один літр. Але те, що для хіміків визначається словом «мало», для будівельників у даному разі означає «дуже багато».

— Два грами на літр води! — обурюються вони. — Та це ж приведе до того, що облицьовку розмиє за один дощовий сезон!

Досліди показали, що обробка природного гіпсу 5-процентним розчином метилхлорсилану робить його практично вологостійким. Завдяки цьому гіпс стає облицювальним матеріалом нарівні з гранітом і мармуром.

Не можна обминути і гідрофобізацію цегли. Всім відомо, скільки прикростей завдають будівельникам грунтові води. А втім, якщо «дивитись у корінь», то вода тут ні при чому. Скоріш тут винна сама цегла, бо вона вкрита численними порами, які жадібно вбирають воду. Якщо цеглу піддати обробці 1-процентним розчином кремнійорганічної сполуки, «схильність» її до води перетвориться в глибоку «ненависть». Досліди показали, що оброблена таким чином цегла навіть через два роки лишається байдужою до води.

Ми розглянули тільки одну галузь застосування кремнійорганічних сполук — будівництво, а скільки дізналися нового й цікавого. Таких галузей ще є чимало.

Патентні бюро багатьох країн зберігають у своїх архівах сотні пропозицій на непромокальний одяг, який можна було б носити і в хорошу погоду. Але виготовлені за цими рецептами непромокальні плаття і пальта були важкими, непроникними для повітря, більшість з них мала їдкий і неприємний запах.

Застосування кремнійорганічних сполук кладе край пануванню парасольки. Я вже згадував про чудове пальто, експоноване на виставці кремнійорганічних сполук. Просочене кремнійорганічною речовиною, воно, не змінивши свого зовнішнього вигляду, стало зовсім непроникним для води. У той же час повітря через таку плівку проходить вільно.

Непромокальний одяг — це лише незначна частина застосування кремнійорганічних сполук. Паруси на яхтах, безсило звисаючі в дощ, тепер пружно випинатимуться під час найсильнішої зливи. Взуття, насичене кремнійорганічним складом, служитиме в будь-яку погоду, залишаючись красивим і легким.

Якщо вода неприємна для тканини, то для паперу вона просто згубна. Скільки дорогоцінних рукописів і книг загинуло під час повеней і інших стихійних лих! Так само й афіші за 10 хвилин перебування під дощем набувають плачевного вигляду. І тут кремнійорганічні сполуки виступають як рятівний засіб.

Ось аркуш фільтрувального паперу, підданий обробці протягом 10 хвилин 3-процентним розчином поліметал-діамінсилану. Цей аркуш тепер витримує стовп води висотою в 3 метри! А звичайний фільтрувальний папір, як відомо, дуже швидко вбирає воду (за що й дістав свою назву). Міцність паперу, підданого обробці кремнійорганічними сполуками, значно збільшується. Можна обробляти цими речовинами списаний вже папір. При цьому написане закріплюється, можна сказати, навічно. Важко переоцінити значення цього засобу для збереження документів і інших паперів історичної цінності.

Ми ще не розповіли про паперові плащі, які за 10–15 копійок можна буде купити на випадок дощу в кожному газетному кіоску, про паперові пляшки, які не битимуться, про паперові тарілки, які не шкода буде викинути після одноразового вживання. Та цими випадками навряд чи ми вичерпали хоч чверть можливого застосування кремнійорганічних сполук у техніці й промисловості.

Краще природи

Щоб розповісти про всі галузі застосування кремнійорганічних сполук, довелося б у багато разів збільшити обсяг цих нарисів. Тому ми наведемо лише кілька прикладів. Візьмемо таку галузь техніки, як ізоляція проводів і інших електричних матеріалів.

В одній східній казці розповідається, як вередливий шах послав своїх візирів шукати йому наречену. Кожному з них вручили докладний список тих якостей, які повинна була мати майбутня дружина шаха. Список цей був такий довгий, що візирі, почавши читати його вранці, закінчували, «коли надвечірнє сонце вже золотило лише вершини мінаретів».

Список вимог, пред’явлених сучасною технікою до електроізоляційних матеріалів, не набагато менший від пам’ятної записки вередливого шаха.

Електроізоляційні матеріали повинні витримувати різкі зміни температури (від –70 до +350°), значне перевантаження, тривалий вплив високих температур, тривалий холод.

Вони повинні мати високий опір, малу вагу, стійкість до води і бактерій, а в умовах тропічного клімату і до мікрофлори, яка роз’їдає майже все.

Електроізоляційні матеріали повинні мати також високу механічну стійкість, стійкість до різних масел і органічних розчинників (бензин, гас) добре прилипати до металів і кераміки, бути еластичними, вібростійкими, незаймистими, повітронепроникними, не змінюватись при тривалому зберіганні.

Ці матеріали повинні бути виготовлені з дешевої сировини, технологія їх виготовлення повинна бути простою і не трудомісткою.

Матеріалів для ізоляції проводів знайдено дуже багато, але кожний чимось не задовольняв вимоги: одні були міцні при звичайних умовах, але не витримували найменшого підвищення температури, другі пропускали вологу, треті були дуже важкі, четверті — крихкі і т. д. Єдиними матеріалами, в «анкеті» яких після кожного пункту стоїть слово «придатний», є кремнійорганічні полімерні сполуки.

Матеріали, добуті на їхній основі, добре почувають себе при високій температурі. Вони можуть служити дуже довго при температурі 400–500°; тимчасово вони можуть бути розігріті навіть до температури 3500°. В Антарктиді вони себе почувають, як пінгвіни, а в тропіках, як крокодили. При покритті металу вони зчеплюються з ним «намертво». Сировина для виготовлення їх коштує копійки, а технологія дуже проста. Тому можна з повним правом говорити про революцію в електроізоляційній промисловості, революцію, яка закінчиться неподільним пануванням кремнійорганічних полімерів.

Поступово кремнійорганічні сполуки увійдуть і в металургію; завдяки стійкості до високих температур плівки з цих речовин можуть витримувати тривалий контакт з розплавленими металами. Отже, з них можна виготовляти дуже добрі ливарні форми.

Дрібні металеві деталі до недавнього часу не можна було відливати: вони виходили дуже нерівними, тому їх виготовляли тільки на механічних верстатах. При цьому до 50 % металу непродуктивно переводилося в стружку. А при використанні ливарних форм з кремнійорганічної маси 1 т деталей обходиться на 3500–4000 крб. дешевше, ніж при звичайній механічній технології. На кожних 500 тисяч тонн відливок заощаджується 75 тисяч тонн металу. Крім того, спрощення технології виготовлення малогабаритних деталей вивільнило б для інших робіт до 20 тисяч робітників і 5 тисяч верстатів. А на це потрібно всього 35 тисяч тонн порівняно недорогого етилсилікату.

Кремнекислим натрієм, або сіллю кремнійової кислоти (побутова назва — розчинене скло) просочують театральні декорації, щоб зробити їх негорючими. І завдяки застосуванню цього нескладного засобу пожежі в театрах припинились.

Для того щоб надати дерев’яним і паперовим матеріалам негорючості, потрібно багато цього неорганічного похідного кремнію. Ось чому, як тільки розсувається оксамитна завіса, зі сцени в залу пливе «запах куліс». Цей запах зникне, коли розчинене скло буде замінене кремнійорганічними сполуками. До речі, кремнійорганічних сполук потрібно набагато менше, ніж їх неорганічних «родичів». Звичайно, це стосується не тільки театрів. Треба зауважити, що й шпали, просочені цими речовинами, стають довговічнішими від звичайних.

Говорячи про майбутнє кремнію, треба згадати і про кремнійорганічні мастила. Автомашинам у кліматичних умовах більшості областей нашої країни доводиться працювати при різних температурах. Влітку спека досягає 30–35°, а взимку морози 30–40°. Звичайні мастила можна використовувати тільки у вузькому інтервалі температур: ті з них, які добре поводять себе влітку, тверднуть на морозі, і навпаки, мастила, придатні взимку, влітку настільки розріджуються, що витікають з підшипників.

Кремнійорганічні мастила в’язкі, і в’язкість їх мало змінюється в дуже широкому інтервалі температур: від –70 до +200°. З таким мастилом можна їздити і по Сахарі, і по льодах Антарктиди. Застосування цього мастила дозволяє майже вдвічі зменшити вагу гідравлічної рідини і відповідно зменшити діаметр трубопроводів.

Можна було б розповісти і про нові трансформаторні мастила, і про застосування кремнійорганіки в харчовій промисловості, і про те, як ці сполуки полегшать працю шахтарів, але треба переходити до інших питань.

Передвісник майбутнього

Тільки-но я вивів заголовок цього розділу, а тут листоноша приніс свіжий номер «Правды». На першій сторінці заголовок: «8 тисяч обертів навколо Землі». У повідомленні ТАРС говорилось: «27 листопада 1959 року третій радянський штучний супутник Землі здійснив свій восьмитисячний оберт навколо земної кулі. 289 днів триває політ третього радянського супутника навколо Землі. Радіопередавач «Маяк» продовжує стійко працювати. Основним джерелом його живлення є сонячні батареї».

Сонячні батареї… За цими двома словами для багатьох фізиків і хіміків стоять роки напруженої праці. Але ці батареї означають також початок чудової епохи відкрить, яку майбутні історики науки назвуть ерою кремнію.

Читач, певно, вже знає, що майже всі види енергії, якими користується людство — це перероблена, або акумульована, енергія Сонця. Ми спалюємо в топці вугілля — це залишки рослин, які росли завдяки сонячній енергії. Бензин, що приводить у рух двигуни повітряних кораблів, добутий з нафти, яка утворилася з залишків тваринних і рослинних організмів, а вони могли існувати тільки завдяки Сонцю. Енергія рік — це теж сонячна енергія, бо переміщення води на нашій планеті відбувається в результаті процесів випаровування, зміни пір року. Ми самі теж існуємо тільки за рахунок енергії сонячного світила: адже енергію для підтримання наших життєвих процесів ми одержуємо, харчуючись рослинами, які виросли завдяки асиміляції вуглецю під дією сонячних променів. Тільки енергія атомної електростанції і криголама «Ленін» добута людиною незалежно від дії Сонця, добута з надр атомного ядра силою розуму.

Однак треба сказати, що рослини — дуже погані акумулятори сонячної енергії. Вони використовують продуктивно лише 1 % енергії сонячних променів, що потрапляють на них. А та енергія, яка падає на неродючу пустиню, мовчазні гори чи море, втрачається марно. Якби вдалося використати тільки 1 % енергії сонячних променів, які падають на сушу, то людство одержало б стільки енергії, скільки дають 1700 тисяч електростанцій потужністю в 1000 кіловат кожна. За літо на 1 квадратний метр поверхні в Середній Азії припадає стільки енергії, скільки дає при згорянні 1,5 ц вугілля.

Ось чому люди давно намагалися створити установки, які б концентрували тепло сонячного променя і віддавали його для корисної роботи. Та практичне втілення ідей далі малогабаритних печей і установок для домашнього душу не пішло. Причина цього насамперед полягає в тому, що такі установки можна використати лише в сонячних районах і тільки вдень. Коефіцієнт використання ними сонячної енергії не набагато перевищував би коефіцієнт використання її рослинами.

Ще кілька років тому найпродуктивнішим акумулятором сонячних променів була, мабуть, лупа в руках хлопчика, який за допомогою цього нехитрого інструмента випалював на дерев’яній дощечці візерунки. І раптом все змінилось. Винуватцем цієї зміни є кремній. Правда, не «простий», а надчистий.

Пластинки надчистого кремнію, вкриті дуже тонким (у 2,5 мікрона) шаром бору, виявились чудовими напівпровідниковими елементами — батареями. Як тільки на таку батарею потрапить сонячний промінь, вона зразу ж починає давати електричний струм.

Само по собі це явище не таке вже й дивне. Прилади, які при попаданні на них світла починають давати електричний струм, тепер вже не рідкість не тільки в наукових закладах, але і в побуті. Основою фотоекспонометра, яким визначають величину витримки, є селеновий фотоелемент. При попаданні на нього світла він починає випускати електричний струм. Чим яскравіше освітлення, тим сильніший струм. Але коефіцієнт корисної дії таких фотоелементів дуже низький. Тільки декілька десятитисячних часток енергії сонячних променів, що попадають на цей фотоелемент, перетворюється в електричний струм. Цієї енергії вистачає тільки на те, щоб відхилити тонесеньку стрілку фотоекспонометра.

Кремнійові батареї мають дуже високий коефіцієнт корисної дії. Вже є батареї, які перетворюють в електричний струм до 11 % енергії сонячних променів. Теоретично можна створити батареї з коефіцієнтом корисної дії до 22 %. Для порівняння вкажемо, що коефіцієнт корисної дії паровоза не перевищує 5 %.

Кремнійова батарея нічим не примітна. Сірувато-темні пластинки покладені поруч. Оце і все. В опису третього радянського штучного супутника Землі про кремнійові батареї сказано: «Ці кремнійові батареї перетворюють енергію радіації Сонця безпосередньо в електричну енергію. Сонячні батареї складаються з ряду елементів, які являють собою тонкі пластинки з чистого монокристалічного кремнію з заздалегідь заданою електронною провідністю. Напруга, утворювана окремими кремнійовими елементами, дорівнює 0,5 вольта, а коефіцієнт перетворення сонячної енергії 9–11 %».

11 процентів!.. Це означає, що 1 квадратний метр батареї може дати до 120 в електроенергії. Дах триповерхового будинку, вистелений такою сонячною батареєю, забезпечить всі енергетичні потреби мешканців: і опалення, і роботу електроприладів, і приготування їжі, і холодильник, і все інше, на що тепер витрачається енергія від спалювання вугілля або нафти.

Може виникнути запитання: а що робити увечері або вночі, коли на небі нема сонця? Це утруднення перебороти дуже легко: вдень, коли сонячного світла достатньо, кремнійові батареї заряджатимуть акумулятори, від яких вечорами можна буде забирати струм. Цікаво, що сонячні батареї зовсім не вимагають для своєї роботи прямого сонячного світла. У похмурні, дощові дні вони працюватимуть не набагато гірше, ніж у сонячну погоду.

Чудові властивості кремнійових батарей дають підстави трохи помріяти…

Матеріалу, щоб зробити такі батареї, скільки завгодно. У кожному місці земної кулі сполук кремнію більш ніж досить.

Приймачі не залежатимуть від електричної мережі. Для радіоприйому і радіопередачі не треба буде користуватися громіздкими і важкими батареями. Невелика пластинка кремнійового елемента на поверхні приймача може живити його практично вічно. Коли спрацюються частини приймача, кремнійовий елемент можна буде пристосувати до іншого апарата.

Кожний будинок матиме власну електростанцію. Зникне потреба в громіздких і дорогих лініях електропередач. Геолог у глухій тайзі буде забезпечений електроенергією в такій же мірі, як і столичний житель, причому «електростанція» його матиме вагу не більше 1 кг. А найголовніше те, що ці «електростанції» для своєї роботи не вимагають нічого, крім денного світла, а його ніколи не бракуватиме. Хіба що на полюсі в полярну ніч.

Шофер, у якого несподівано кінчився бензин далеко від бензоколонки, не чекатиме зустрічної машини, яка наділила б його пальним. Один рух рукою — і живлення двигуна перемкнуто на сонячні батареї, розташовані на даху машини. Звичайно, великої швидкості ці батареї не забезпечать, але машина зможе доїхати до місця заправки. Сонячні батареї зможуть заряджати акумулятори в той час, як машина стоїть або йде на бензині.

«Сонцемобіль» — вже не фантазія. Ще в 1955 р. був сконструйований автомобіль, який приводився в рух енергією 12 фотоелементів… Хай цей «сонцемобіль» рухався з швидкістю візника, але цієї енергії цілком вистачило б, щоб надати достатньої швидкості, скажімо, моторолеру.

Мрії… Хіба можуть бути безплідними мрії в науці? Мине якийсь час, і все, підведене нами під поняття «мрія», втілиться в життя. Хіба можна сумніватися в цьому, коли третій радянський супутник Землі служить джерелом сигналів, які з гордістю за геній людини слухає весь світ.

Майбутнє починає жити сьогодні!

Основна складність впровадження кремнійових батарей у побут полягає в тому, що кремній мусить бути виготовлений в дуже чистому стані, а одержати надчистий кремній дуже важко. Кожний грам надчистого кремнію обходиться ще дуже дорого. Тому треба наполегливо працювати, щоб його добувати доступними і простими засобами. Ось воістину неозоре поле діяльності для тих, хто захоче присвятити себе цій вдячній проблемі.

В історії хімії відомо немало прикладів, коли який-небудь елемент або речовина на початку відкриття були дуже дорогі, а поступово, в міру удосконалення способів їх добування, ставали доступними. У 1889 р. Д. І. Менделєєву під час перебування в Лондоні як дорогоцінний подарунок піднесли терези, зроблені з алюмінію. Не минуло й півстоліття, і алюміній став таким же звичайним матеріалом, як дерево. Коли я починав вивчати хімію в університеті, наш старий і статечний професор казав, що він ніколи не бачив сполуки ренію. З того часу минуло років з 10 і солі ренію можна зустріти в будь-якій лабораторії.

Так само зараз мало хто бачив кремнійові батареї чи взагалі надчистий кремній. Але разом з тим я майже впевнений, що читач, який прочитає ці рядки років через 10, глянувши на радіоприймач з кремнійовим живленням, задоволено посміхнеться і скаже: «Якими колосальними темпами розвивається наука».

Ми розглянули більш-менш докладно нові відкриття в галузі хімії тільки одного з ста двох елементів періодичної системи — кремнію. А тимчасом про кожний з них можна розповісти стільки ж нового й цікавого. Ось воно поле діяльності хімії сьогоднішнього і завтрашнього дня!