Еще раньше, чем хитроумный человек научился пользоваться окисью кремния для своей техники, природа уже широко использовала ее в жизни растений.
Там, где надо было построить прочную соломинку колоса, накапливалось большое количество кремнезема.
Кремний — химический элемент IV группы периодической системы Д. И. Менделеева с порядковым номером 14 и атомной массой 28,08. В природе встречаются три стабильных изотопа кремния: 28Si, 26Si и 30Si, относительная распространенность которых на Земле составляет соответственно 92,18; 4,71 и 3,12 %. Известен также ряд его радиоактивных изотопов: 25Si, 26Si, 27Si, 31 Si и 32Si. Синтезированы и короткоживущие изотопы кремния: 33Si, 34Si, 35Si и 36Si. Электронная структура атома кремния: 1s22s22p63s23p2; атомный радиус 117, ковалентный — 117, вандервальсов -200, ионный: Si4+ — 26 пм; электроотрицательность по Полингу 1,90, по Оллреду 1,74; эффективный заряд ядра по Слейтеру 4,15, по Клементи 4,29, по Фрезе-Фишеру 4,48 (Эмсли Дж., 1993).
Соединения кремния, широко распространенные на Земле, были известны человеку с каменного века. Использование каменных орудий для труда и охоты продолжалось несколько тысячелетий. Применение соединений кремния, связанное с их переработкой — изготовление стекла — началось около 3000 лет до н. э. в Древнем Египте. В XVIII в кремнезем считали простым телом и относили к "землям”, что и отражено в его названии. Впервые этот элемент был получен в 1811 г. французскими химиками Ж. Л. Гей-Люссаком и Л. Ж. Тенаром при нагревании фтористого кремния с калием. Однако исследователи не знали, что полученное ими буро-коричневое вещество — новый элемент. В 1823 г. шведский химик И. Я. Берцелиус, действуя на фторсиликат калия калием при нагревании, выделил то же вещество и высказал предположение, что найден новый элемент. Но потребовалось еще 34 года, пока А. Э. Сент-Клер Давиль расплавил порошок и получил элементарный кремний в виде гранул серовато-стального цвета (Рохов Е. Д., 1990). Название этого элемента произошло от минерала с латинским названием Silisium (Silex — означает камень). Русское название «кремний» введено в 1834 г. академиком Г. И. Гессом (от греческого слова «кремнос» — утес, скала).
По химическим свойствам кремний является типичным неметаллом. В соответствии с распределением в атоме кремния электронов, характерными степенями окисления его являются +4 и -4. Химическая связь атома кремния с другими атомами осуществляется обычно за счет гибридных sp3 — орбиталей, но возможно также вовлечение двух из его пяти вакантных 32 орбиталей, особенно когда кремний является шестикоординационным. Соединения, содержащие этот элемент со степенью окисления +2, встречаются редко. Энергия ионизации при последовательном переходе от Si0 к Si4, соответственно 8,157, 16,342, 33,460, 45,141 эВ. Энергия сродства к электрону 1,22 эВ. Кристаллохимический радиус атома кремния равен 0,134 нм, радиус иона Si4 — 0,039 нм. Кремний является таким же важным элементом для минерального, неживого мира, как углерод для живых организмов. Но в отличие от углерода, кремний не склонен образовывать соединения, в которых его атомы формировали бы в длинную цепь, так как энергия связи С-С значительно больше энергии связи Si—Si. Энергия связи Si-Si равна 177 кДжмоль-1, а энергия связи С-С — 348 кДжмоль-1. В то же время энергия химической связи Si-O (369 кДжмоль-1) больше, чем энергия связи С-О (351 кДж. моль-1). Поэтому макромолекулярная структура, основанная на повторении связей Si-O-Si, встречается во многих соединениях кремния и является характерной для химии этого элемента. Кроме того, в отличие от углерода, он не склонен к образованию двойных и тройных связей, т. к. вследствие слишком большого атомного радиуса невозможно перекрывание р-орбиталей с образованием п-связи.
Кремний — второй элемент после кислорода по распространенности в земной коре и фактически является основой земной «тверди» (Вернадский В. И., 1954). Его кларк в земной коре равен 29,5 %. В то же время кремний, как правило, не встречается в природе в свободном виде, а входит в состав многочисленных минералов. К наиболее распространенным кремнийсодержащим минералам относятся кварц, горный хрусталь, кремень, яшма, агат, халцедон, трепел, слюда, асбест и полевые шпаты. Всего известно более 800 кремнийсодержащих минералов (Айлер Р., 1982).
В природе нет более сложного разнокачественного образования, чем почва. До сих пор продолжаются дискуссии по наиболее точному определению этого сложнейшего биокосного вещества. Содержание кремния в почве определяется, главным образом, наличием в ней кварца и в меньшей мере первичных и вторичных силикатов и алюмосиликатов. В ряде случаев присутствует, в том числе и в больших количествах, аморфный кремнезем в виде опала или халцедона, генезис и накопление которых связаны с биогенными (опаловые фитолитарии, спикулы губок, скелеты диатомей) или гидрогенными (окремнение почв) процессами. Количество кремния в природных объектах уменьшается с ростом «сложности» организма: отношение кремния к углероду составляет в земной коре 250:1, в черноземе — 15:1, в планктоне — 1:1, в мужских растениях папоротника — 1:100 и у млекопитающих — 1:5000. «Может создаться впечатление, — пишет В. Д. Рохов (1990) — что содержание кремния в живых организмах незначительно, однако общее количество кремния, которое содержится в 10-1 тоннах живых организмов на Земле (если преобразовать в кварцевый песок и погрузить в вагоны), составило бы подвижной состав, который пять раз опоясал бы экватор!»