Горный хрусталь

Множество веществ и материалов дал нам органический синтез. С некоторыми из них вы уже познакомились. Промышленность основного органического синтеза стала важной отраслью химической индустрии. Одновременно все большее значение приобретает другая область химического синтеза — минеральный синтез.
Из минералов и горных пород сложена, как мы знаем, земная кора. Минералов известно много — больше 5000, и еще продолжают открывать новые. Все большее число их вовлекается в сферу практической деятельности человека, и довольно многие минералы получают искусственным путем. На то есть разные причины. Чаще всего искусственные минералы приходится получать потому, что не хватает их природных аналогов (рубин, горный хрусталь, криолит). Но случалось и так, что причиной, побудившей разработать технологию получения искусственного минерала, было несовершенство или недостаточное постоянство свойств природного минерала. Так было, к примеру, с некоторыми видами слюд и с важным для современной техники флюоритом.

О некоторых природных минералах и их искусственных аналогах пойдет речь. И еще — о методах и приемах минерального синтеза, сильно отличающихся от методов и приемов синтеза органического.

Крупнейшего геохимика и минералога академика Александра Евгеньевича Ферсмана недаром называли поэтом камня. Он умел видеть красоту камня не только в сверкающих драгоценных кристаллах, но и в самых обычных, невзрачных на вид кусках минералов и пород. Этот перечень можно продолжить. Знаменитые драгоценные камни — аметист, оникс, гелиотроп и сердолик тоже состоят в основном из двуокиси кремния и потому входят в семейство кварца. Собственно, аметист это кварц, окрашенный в фиолетовый цвет окислами марганца и кобальта.

Некоторые аметисты, особенно густо окрашенные (они и ценятся дороже), при искусственном освещении становятся кроваво-красными. Хотя по стоимости аметист заметно уступает алмазу и некоторым другим драгоценным камням, католическая церковь выделяет этот камень среди прочих. Когда избирается новый римский папа, то при вступлении в сан ему вручают перстень с аметистом. Подобные же перстни, только с камнями поменьше, получают и вновь избранные кардиналы. Один из самых больших аметистов мира украшает корону королевы Британии... Название этого камня идет из греческого языка: «аметистос» по-гречески означает «трезвый». В давние времена считалось, что аметист предохраняет от опьянения.
Есть поверья, связанные и с другими камнями семейства кварца. Согласно преданию, тот, кто носит на шее сердолик — оранжево-красную разновидность агата, никогда не погибнет при землетрясении. А сердолик в перстне защищает от козней врагов...

Впрочем, все это — лишь присказка.
Разнообразие веществ из семейства кварца объясняется не только примесями, но и особенностями кристаллического и, как это ни странно, полимерного строения этих веществ.

Со школьной скамьи мы привыкли писать формулу чистой двуокиси кремния так: SiO2. Но и кварцевый песок — чистая двуокись кремния, и горный хрусталь, и силикагель, и литое кварцевое стекло — полимеры. Еще Менделеев утверждал, что правильнее писать формулу двуокиси кремния (SiO2). Рентгеноструктурные исследования двуокиси кремния подтвердили оправданность такой точки зрения. В частности это подтвердили исследования, проведенные в середине прошлого века. К сожалению ученые, всерьез изучавшие сорта стекол, уже постарели. Но научное наследство, оставленное ими поистине обширно и активно развивается.

Кремнекислородные полимерные цепи и сетки могут быть построены по-разному. Чистая двуокись кремния—не такая уж редкость. В любой химической лаборатории можно встретить посуду из жаропрочного кварцевого стекла. Реже встретишь чистый кварцевый песок, из которого такое стекло варят. На берегах рек и морей песок, как правило, состоит из крупинок многих минералов, хотя кварц здесь, конечно, преобладает. В недрах земли есть жильный кварц.
Чистый кварц бесцветен. Подтверждением тому неокрашенность кристаллов горного хрусталя чистой воды. Горный хрусталь — не что иное, как крупные монокристаллы того же кварца.

Песок, из которого выплавляют кварцевое стекло, особенно стекло, предназначенное для оптики, очень тщательно очищают от примесей. В зависимости от сорта и назначения кварцевого стекла их может быть лишь от 10 “ 6 до одного процента. Оптическое кварцевое стекло выплавляют в индукционных печах, помещая в них графитовые тигли с сырьем. Другой способ получения такого стекла — сплавление кварцевых песчинок в пламени кислородно-водородной горелки.
Все стекла, кроме кварцевого, получаются как результат сплавления различных окислов. Доля двуокиси кремния в них—от 47 до 81%. Хрусталь, как ни странно, сравнительно беден кварцем. Двуокиси кремния в нем лишь 55—57%, а особую игру света создает значительная — 30—35%—добавка двуокиси свинца.

Кварцевому стеклу присущи высокая термостойкость (оно начинает размягчаться лишь при температуре 1300°С) и наивысшая из всех стекол химическая стойкость, особенно по отношению к кислотам. 120 часов постоянного воздействия концентрированной соляной кислоты приводит к потере лишь 25 миллиграммов такого стекла с квадратного сантиметра поверхности контакта. В щелочах, правда, потери больше.

Еще одна замечательная особенность лабораторной посуды из кварцевого стекла состоит в том, что эта посуда не боится резких температурных перепадов. Докрасна нагретый кварцевый сосуд можно опустить в воду — на нем не появятся трещины. Причина — минимальные значения коэффициентов теплового расширения кварца.
О том, что это стекло прозрачно для широкого диапазона электромагнитных волн, в том числе для ультрафиолетовых лучей, читатель, очевидно, знает так же, как и о широком применении кварца в оптике.

Линзы из кварца делают очень давно. Еще до того как люди научились варить стекло, были приготовлены первые оптические стекла. Кварцевые линзы вытачивали из кристаллов горного хрусталя.

Эти кристаллы чрезвычайно ценны для техники. Но в недрах Земли горный хрусталь представлен не обильно и, что не менее важно, очень неравномерно. В нашей стране есть месторождения этих полезных кристаллов, однако главным поставщиком их уже давно стал минеральный синтез.

История синтеза монокристаллов кварца началась с первой половины XIX в. Еще в 1845 г. немецкий ученый К. Шауфхейтль, нагревая в замкнутом сосуде свежеосажденный гель кремневой кислоты, через восемь суток получил кристаллы искусственного кварца в виде мельчайшего порошка. Физико-химическая суть явления почти очевидна: обезвоживание и перекристаллизация под действием сравнительно высокой температуры и сравнительно невысокого давления.

В 1880 г. прозрачные и однородные кристаллы кварца размером около миллиметра получил известный русский минералог К. Д. Хрущов. Он сконструировал толстостенный сосуд — грушу для гидротермального синтеза минералов и пытался в этом сосуде получить многое, вплоть до алмаза. Кварц получился после того, как К. Д. Хрущов выдерживал в своем сосуде гидрозоль кремневой кислоты в течение нескольких месяцев при температуре около 250 °С.