«Вторая Глава книги «Кремний — выздоровление благодаря древнейшему минералу»

«Частицы кремния остаются

взвешенными в жидкости и,

в то же время, невидимыми вследствие

своего маленького размера и своей прозрачности»

Торберн Бергман Доктор философии

Исследователь кремния,

1779 г.

ГЛАВА ВТОРАЯ

Небо — это коллоид

Рассеивание в синеве

Когда мне было шесть лет, моя бабушка часто сердилась, поскольку моим стандартным вопросом был: почему небо голубое? Мою мать я тоже доводил до отчаяния, бесконечно задавая ей вопросы, ответов на которые она не знала. «Ты уже измучил меня своими расспросами», — говорила она. Мой отец сообщил мне, что пыль в верхних слоях атмосферы отражает свет солнца, и что при этом в основном отражается синий цвет, именно поэтому небо имеет такой красивый голубой оттенок, когда солнце светит. Его ответ на некоторое время удовлетворил мой интерес.

Я говорю это неохотно, тем не менее, ответ моего отца был не совсем верен. Сейчас я хотел бы кратко остановиться на рассмотрении химического и физического поведения мельчайших частиц, для того чтобы найти правильный ответ и узнать еще больше важной информации о кремнии. Распределение мельчайших частиц вещества, рассеянных в жидкости, газе или твердом веществе, называется коллоидом. Это выражение происходит от древнегреческого слова «клей». Однако это не то клейкое вещество, которое удерживает частицы вместе. Примерами коллоида являются: молоко, дым, туман и чернила.

Еще будучи маленьким мальчиком, я очень любил часами наблюдать за коллоидным распределением чернильных капель. Я набирал проточную воду в большую хрустальную вазу моей матери. Потом я ждал, пока вода в вазе станет полностью неподвижной. Только после этого я брал крошечную капельку чернил из моей чернильницы Pelikan и капал в неподвижную воду. Какое-то время чернильная капля опускалась довольно быстро. Потом она начала расплываться как облако дыма. И потом я наблюдал, как медленно формируются очень интересные формы. Наконец, чернила равномерно распределились в воде, и она равномерно окрасилась в голубой цвет. Я увидел небо, но моя радость закончилась.

Размер частицы решает, будет ли она иметь характерные черты коллоида. Слишком крупная — и она уже не является коллоидом, слишком маленькая — снова нет. Для расчета определенного размера маленькой частицы в коллоиде нам необходима мера, способная измерять совсем мелкие расстояния. Такая мера называется ангстрем, свое название она получила в честь шведского физика. Один ангстрем равен единице длины 108 см, для математиков это означает: ноль, запятая, ноль — ноль — ноль — ноль — ноль — ноль — ноль — ноль — один, то есть, 0.000000001 см = 1 ангстрем (сокращенно: А), т.е. достаточно коротко. Эта «малая длина» (кто хотел бы говорить о большой длине?) соответствует диаметру самого большого атома, атома водорода.

Коллоидный спектр веществ состоит из частиц, достигающих от 10 до 10.000 ангстрем. Это подтверждает, что коллоиды представляют собой очень мелкие частицы, плавающие в растворе. Тем не менее, коллоид не является настоящим раствором, таким как, например, растворение сахара или соли в кипяченой воде. В нормальном растворе (или истинном растворе), частицы имеют гораздо меньший размер. Частичка сахара или соли в растворе состоит из такой малой молекулы, которая формируется только из нескольких атомов. Это может быть ион, электрически заряженная частица.

Коллоидные частицы объединены в основном в небольших кристаллических агрегатах или являются частью длинной, лентообразной молекулы. Коллоидные частицы, хотя они и достаточно малы для того, чтобы пройти через обычный бумажный фильтр, имеют достаточный размер для того, чтобы их можно было отделить от растворителя путем ультрафильтрации и ультрацентрифугирования. Тем не менее, частицы истинного раствора, такого как соленая вода, имеют в основном такой же размер, как и молекулы растворителя, и, следовательно, могут быть разделены либо при помощи какого-либо фильтра, либо путем центрифугирования, а даже не путем ультрафильтрации и ультрацентрифугирования. Именно поэтому так сложно производить питьевую воду из морской воды!

Но это все относительно. Для более крупных частиц в растворах разница между коллоидом, как мои синие чернила, и еще более грубой жидкостью, как, например, сточные воды, настолько огромна, что размер коллоидных частиц по-прежнему значительно меньше. Это станет для нас очевидным, если жидкость постоит в течение длительного времени. Тогда сила земного притяжения подействует на более крупные частицы. В истинных коллоидах, однако, сила притяжения не способна выделить распределенные частицы. Сила земного притяжения несущественно сравнивается с рассеивающей силой, которой обладают коллоидные частицы. Следовательно, частицы коллоида мало или вообще не склонны к оседанию. В противоположность этому, относительно крупные частицы с грубым рассеиванием спонтанно отделяются от раствора и незадолго после этого перемещаться по сложной траектории либо к нижней части, либо к поверхности вещества, в зависимости от наименования вещества и удельного веса соответствующих частиц.

Эти характерные свойства коллоидов (окрашенная вода) так сильно отличаются от истинных растворов (соленая вода) или грубого рассеивания (сточные воды) и играют настолько важную роль в естественных физических процессах как в организме живых существ, так и в неживой материи, что была создана независимая область науки — коллоидная химия, целью которой является изучение коллоидного состояния.

Золь представляет собой коллоидный раствор вещества и называется либо золь, либо золь твердого вещества, либо аэрозоль, в зависимости от того, где происходит распределение частиц — в жидком, твердом или газообразном веществе. Сами частицы могут быть твердыми, жидкими или газообразными, например мои голубые капли чернил или пузырьки коллоидного размера. Лучше всего это продемонстрировать при помощи таблицы, в которой представлено сравнение различных фаз распределения и веществ:

Если и коллоидные частицы, и вещество, в котором они распределены, представляют собой газ, то возникновение коллоида невозможно. Из всех коллоидов, золи имеют наибольшее значение. По этой причине они подразделяются на две основные подгруппы в зависимости от того, (1) представляют ли они собой золи, одиночные молекулы крупных размеров, рассеянные в растворе, или (2) мицеллярные золи, агрегаты молекул более мелкого размера, ионы или атомы, рассеянные в растворе. Большинство органических золей, например белок, целлюлоза, крахмал, резина и синтетические полимеры, являются молекулярными золями.

Одномолекулярные золи, как правило, можно легко получить путем добавления твердого вещества в нужное количество жидкости. Например, золь молочного белка готовят путем смешивания порошкообразного обезжиренного молока с водой. Чем меньше частицы, тем большей прозрачностью обладает золь. Золь обычно прозрачный, когда частицы имеют примерно округлую форму и диаметр менее 300 А. Если диаметр частиц находится в диапазоне между 300A и 5000A, то золь является опалесцирующим, т.е. он рассеивает небольшую часть имеющегося света во всех направлениях.

И, таким образом, мы снова вернулись к небу, которое является синим. Синева, это небесное тонкое распределение, так называемый феномен Тиндаля, отражается не именно от поверхности частиц, как сказал мой отец. Отражение коллоидных частиц не возможно, поскольку их размер составляет меньше длины волны видимого света, которая колеблется от 3500A до 7000A (а коллоиды, как мы теперь знаем, достигают до 10,000А). Поскольку рассеивание света обратно пропорционально длине световых волн, голубой свет с малой длиной волны рассеивается в большей степени, чем красный свет с большей длиной волны. И поэтому, когда белый свет рассеивается, рассеянный свет приобретает голубоватый оттенок. В действительности отец, пыль …

Многие золи, такие как, например, кремниевые золи, при попадании на них белого света и при рассмотрении их в направлении, вертикальном направлению падающего света, мерцают голубовато-белым или голубовато-синим цветом. Один из наиболее ярких рассеивающих эффектов, касающихся кремния, называется иризирующим. Этот красивый эффект хорошо виден в опалах и, следовательно, как уже упоминалось, называется опалесцирующим. На самом деле опалы являются окаменелыми останками очень древнего коллоидного суспендирования из кварцевого кристалла! Так что много лет назад они были жидкими! Обычные мелкие молекулы, как и коллоидные частицы хотя и рассеивают свет, но интенсивность рассеивания крошечными молекулами настолько низкая, что ее едва ли можно заметить, за исключением случаев, когда этот процесс проходит в более глубоких слоях чистой воды или чистого воздуха, которые образуют все чистые озера, море и небо. Рассеянный свет преимущественно синего цвета, но даже в таких относительно чистых материалах, как верхние слои атмосферы, рассеивание вызывается коллоидами, такими как пыль и микроорганизмы! Ну, хорошо отец.

Кремниевый золь

Частицы различных золей принимают формы, изменяющихся от сфер до тонких нитей. Частицы золота и многие другие мицеллярные золи имеют более или менее шарообразную или многоугольную (многообразную) форму. Поскольку такие частицы могут легко проходить мимо друг друга, вязкость таких золей лишь немного превышает консистенцию вещества, в которой частицы рассеиваются. С другой стороны, золи, образующиеся из нитевидных частиц, при воздействии на жидкость всегда переплетаются.

Золь обычного раствора каучука по этой причине является чрезвычайно тягучим, даже если в нем содержится только один процент каучука. Это происходит потому, что молекула каучука имеет длину около 30000 ангстрем, а ее толщина составляет всего несколько ангстрем. Белок, золь альбумина в воде, обладает средней вязкостью, поскольку молекула альбумина, хотя и имеет очень большую длину, но наматывается в круглый шар из белка. Кремниевый золь очень похож по характеру на альбумин белка, но еще больше он похож на совершенно другой золь — на человеческую кровь.

Любовь и ненависть — это характеристики золя

Различные коллоидные частицы демонстрируют различное химическое сродство с жидкостями, в которой они рассеяны. Если такое сродство очень велико, молекулы раствора плотно закрепляются на поверхности вещества и даже проникают внутрь самих частиц. Таким образом, по этой причине частица может выглядеть разбухшей и состоит из смеси твердого вещества и жидкости. Золь, в состав которого входят такие частицы является лиофильным золем (с положительной реакцией на растворение). В качестве примера таких золей можно назвать растворимое стекло (растворенная в воде поликремниевая кислота), клей и резина в бензоле.

Кристаллические частицы, например, серные золи (серное молоко) и золи золота (питьевое золото) имеют не очень высокий коэффициент сальватации, т.е. они в значительной степени не растворяются и называются лиофобными (с отрицательной реакцией на растворение). Степень сольватации частицы часто зависит от ее формы; нитевидные частицы склонны к лиофилизации, поскольку они имеют сравнительно большую площадь поверхности.

Вечно под огнем, вечно в воздухе

Коллоидные частицы удерживаются в постоянном суспендированном состоянии посредством их непрерывного «обстрела» окружающими молекулами раствора. Этот «обстрел» является следствием обычного всенаправленного теплового движения молекул. Средняя скорость одной молекулы воды при комнатной температуре составляет около 2240 километров в час. Если сравнительно крупные частицы непрерывно со всех сторон «обстреливаются» миллионами таких быстрых молекул, то такая частица никогда не сможет приобрести нейтральные колебания, толкающие ее в одном определенном направлении.

Если такая частица становится очень маленькой, то колебания на противоположных сторонах становится гораздо более значимыми, в результате чего частица получает толчки сначала в одном направлении, а затем в другом. Коллоидная частица, которая парит в жидкости или газе, по этой причине свободна от так называемого броуновского движения. Броуновское движение представляет собой непрерывную, бесцельную вибрацию микроскопических частиц, взвешенных в жидкости.  Тем не менее, большинство золей существуют лишь кратковременно, если нельзя предотвратить слияние частиц. Во время столкновения мелкие частицы склеивались бы друг с другом и вскоре срастались бы, так что скорость оседания, по сравнению со скоростью броуновского движения, была бы слишком большой. Срастание коллоидных частиц стабильных золей предотвращается адсорбирующими веществами, в частности, адсорбированными ионами. Сродство твердого вещества по отношению к иону зависит от характера твердого вещества и от размера, электрического заряда и химической характеристики иона. После помещения в раствор с различными видами ионов твердая частица адсорбировала бы выборочно некоторые ионы и получила бы, тем самым, такой же электрический заряд, как и ион, по отношению к которому она демонстрирует наибольшее сродство.

Конечный результат такой выборочной адсорбции частиц означает, что все частицы имеют одинаковый знак заряда и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Интенсивность данного отталкивания между двумя частицами остается небольшой до тех пор, пока параметры не превышают нескольких ангстрем. Однако если расстояние между частицами становится все меньше и столкновение неизбежно, интенсивность отталкивания повышается таким образом, что фактический контакт между частицами удается предотвратить. По этой причине стабильность многих золей зависит от типа и количества имеющихся ионов.

Ионы, которые адсорбируются на поверхности или на части поверхности каждой коллоидной частицы, притягивают ионы противоположного заряда, расположенные в непосредственной близости от частицы. Эти противоположные ионы образуют вокруг частицы облако, которое перемещается в диффузный внешний слой. Защищая частицу, этот внешний слой снижает эффективность его заряда. Это явление возникает, когда концентрация ионов настолько высока, что заряд отдельных частиц становится неэффективным и столкновения уже нельзя предотвратить. В соответствии с этим, низкие концентрации электролитов придают золю стабильность, в то время как повышенные концентрации его разрушают.

Гель с золем

При подогревании белка (альбумина) происходит распад слабых соединений, благодаря которым раствор не распадается на составные элементы, молекула разворачивается и золь становится густым. Если они полностью расправляются, то молекулы альбумина настолько сплетаются друг с другом, что белок наполовину превращается в твердое вещество, а именно в гель. Процесс сплетения молекул белков под воздействием высоких температур является общим явлением. Считается, что оно является высшим законом денатурации и поэтому представляет собой одну из основных причин гибели организмов под действием высокой температуры.

Таким образом, гель — это золь, в котором нити частиц разветвляются и переплетаются. Желе представляет собой гель, который содержит особенно большое количество жидкости. Когда гель вследствие выпаривания теряет жидкость, упругость поверхностного натяжения стягивает волокна вместе и, тем самым, вызывает коллапс структуры сети. Результатом этого является церогель. Хорошим примером церогеля служит сухой желатин. Теперь давайте заменим жидкость на воздух, не разрушая при этом гель, в результате мы получим аэрогель, который является мягким, почти прозрачным и чрезвычайно легким. Таким образом, теперь нам известно о коллоидах, золях и гелях, и мы снова можем вернуться к обсуждению производства кремниевого геля.

Полимеризация или связи кремния и их основополагающее значение для жизни

Для того чтобы получить коллоид кремния, сначала необходимо провести полимеризацию кремния в виде ортокремниевой кислоты (H4SiО4) 2. Во время удаления воды кремниевая кислота полимеризуется в пространственный поликремний, который формируется из нескольких молекул. Полимеризация — это термин, использующийся для обозначения химической реакции, которая достигает все более крупных молекул. Они в конечном итоге образуют длинные цепочки, которые выглядят таким образом:

При ближайшем рассмотрении мы обнаруживаем, что в такой цепи каждый ион кислорода выступает в роли партнера для двух ионов кремния, т.е. следующим образом:

Такие четырехсторонние соединения с цепным строением называются тетраэдрами (четырёхгранниками). Другими словами, SiО2 стал сетью тетраэдров SiО4. Как мы видим, каждый атом кремния тетраэдрически (четырехгранно) окружен четырьмя атомами кислорода, каждый из которых,  одновременно с этим окружен двумя смежными тетраэдрами. Следовательно, все атомы кремния связаны друг с другом посредством мостиков, которые построены из кислорода. Это соединение кислорода и кремния является первым шагом процесса превращения кремния в кремниевый гель. Следующим шагом является добавление химического соединения Н2О, которое известно всем, как вода.

Вода и превращение золя в гель

В природе кремний встречается только в виде безводного соединения и в виде солей, которые известны как силикаты. Гидратированный, т.е. связанный с водой кремний (также гидрогенизированный кремний) возникает вследствие высвобождения кремния из водорастворимых щелочных силикатов. При этом твердые частицы кремния в высокодисперсной форме настолько хорошо смешиваются с водой, что создается впечатление, что кремний полностью растворился в воде. Тем не менее, водный раствор не является истинным смешиванием, как, например, раствор поваренной соли (хлорида натрия) в воде. При смешении поваренной соли с водой мы получаем раствор, в котором хлорид натрия полностью перестает существовать в виде твердого соединения. Твердые частицы кремния, с другой стороны, смешиваются с водой в промежуточном состоянии между твердой и жидкой формой. Это полураспределение кремния в воде представляет собой коллоидную систему, в которой молекулы переходят во взвешенное состояние, а не растворяются.

Относительные количества двух компонентов коллоидной системы решают, будет ли система иметь вязкость золя (жидкости) или гель (полужидкое, полутвердое вещество). Если, например, в воде размешать небольшое количество белка, например, желатина, то в результате этого мы получим золь. Однако если мы размешаем в воде большое количество желатина, то в таком случае мы получим гель. Это правило относится и к другим коллоидным соединениям между жидкостями и твердыми веществами. Поэтому в кровеносной системе человека кремний присутствует в виде гидрозоля, жидкого гидрата кремниевой кислоты. В наших ногтях, коже или волосах кремний содержится в виде гидрогеля, желеобразного гидрата кремниевой кислоты. Двойные коллоидные свойства делают кремний очень гибким. Они также обеспечивают эффективность коллоидного кремния не только при внутреннем, но и при внешнем применении. Таким образом, кремниевый гель адаптируется отдельно к каждому из условий, в которых он находится.

В отличие от диатомовой глины, кремниевой кислоты и кремнезема, биохимическое преимущество коллоидного кремния заключается в том, что он имеет такую большую реакционную поверхность. Поверхностная мощность кремниевого геля действительно существенная. Только один грамм кремниевого геля может похвастаться поверхностью размером около 300 квадратных метров! Выражаясь геометрическим языком, площадь одного кубического дюйма геля составляет около 50000 квадратных футов. Или еще иначе, если бы мы разложили частицы геля в один ряд, то полученное расстояние в семнадцать раз превышало бы расстояние от Земли до Луны. Такая колоссальная поверхностная активность кремниевого геля имеет большое значение для активизации живых тканей. Оно придает коллоидному кремнию огромнейшие адсорбционные характеристики и реакционные способности, которые для простых кремниевых кислот не достижимы.

Поверхностное натяжение коллоидного кремния необычно высокое и увеличивается необычайным образом. Существуют приграничные поверхности не только между жидкостью и воздухом, но и между кремнием и водой. Таким образом, кремниевый гель содержит в себе и внутреннюю энергию, и благодаря своей очень большой поверхностной активности является основным условием биологических процессов. Лишь теперь мы можем немного лучше понять, почему белый песок люненбургской пустоши имеет такое большое значение для здоровья человека и для нашего дополнительного питания. Но давайте пойдем по этим следам немного дальше, прежде чем они затеряются здесь в песке.