Круг веществ, которые по своему строению могут быть отнесены к высокомолекулярным соединениям, все время расширяется. Автор распространяет этот подход на многие природные неорганические вещества и строительные материалы. Может быть, и в этом случае такой подход будет полезен?
ЗНАКОМЫЕ НЕЗНАКОМЦЫ
Нас окружают самые разнообразные вещества, сотворенные природой или рукой человека. Безгранично число химических соединений, чрезвычайно многообразны их свойства. Казалось бы, невозможно ориентироваться в этом бескрайнем море веществ и свойств, но на помощь приходят лоции химических законов, и первая из них — Периодическая система. Давайте еще раз внимательно приглядимся к ней.
Центральная часть таблицы. Привычные, давно знакомые элементы. Все «вакантные» места давно заняты. Но почему сюда смотрят с особым вниманием многие ученые? Идет процесс переосмысливания химического существа известных элементов и их соединений. В его основе — коллективное открытие, значение которого мы пока еще не можем оценить по достоинству. Оно заключается в том, что 13 элементов, расположенных здесь, могут образовывать и образуют гигантские цепи полимерных молекул. Еще недавно считалось, что этим замечательным
свойством обладает только углерод, но оказалось, что гомоцепные полимеры (полимеры, молекулы которых составлены из атомов одного и того же элемента) образуют также кремний, бор, фосфор, сера, селен, германий, сурьма, мышьяк, теллур, висмут, олово и полоний.
Разницей в молекулярном весе объясняется различие физических свойств у аллотропных модификаций этих элементов. Так, существует высокомолекулярный и низкомолекулярный бор. Первый — это мелкие кристаллы, по твердости почти не уступающие алмазу, второй — мягкий зеленовато-бурый аморфный порошок.
То же самое и у фосфора. Молекула белого или желтого фосфора — мягкого, как воск, светящегося в темноте вещества — построена всего из четырех атомов, а красный фосфор — это уже неорганический полимер.
Известны высокомолекулярные и низкомолекулярные модификации серы, причем молекулярный вес полимерной эластичной серы достигает 1 500 ООО.
Чистые кремний и углерод существуют только в форме полимеров. Алмаз, графит и карбин различаются молекулярным весом и строением молекулы. Алмаз — трехмерный, пространственный полимер, молекулы графита — плоские, а недавно синтезированный советскими учеными карбин — это неизвестный в природе линейный полимер углерода. Графит и аморфный углерод с точки зрения химии высокомолекулярных соединений идентичны.
Как видите, среди гомоцепных неорганических полимеров встречаются очень важные и интересные вещества. Но значительно обширнее и, вероятно, перспективнее другой класс неорганических полимеров — гетероцепные. В них атомы одного элемента связываются между собой атомами другого или других. Если схему гомоцепного линейного полимера можно изобразить так:
— а — а — а — а — а — а — а — а —, то гетероцепные могут быть построены по-разному, например, таким образом:
…— а — b — а — b — а — b…
или
…— а — а — b — а — а — b —…
или
…— а—b — а — с — а — b — а — с—… и т. д.
Рис. 1. Строение макромолекул аллотропных модификаций элементарного углерода — алмаза, графита и карбина.
В состав таких полимеров входит подавляющее большинство элементов. Не образуют их лишь одновалентные щелочные металлы и инертные газы. К неорганическим полимерам относятся многие важнейшие вещества, например, кислородные соединения кремния, алюминия, фосфора — самые распространенные минералы земной коры.
Итак, (полимеры — это не только игрушки из полиэтилена, пластмассовые ручки, одежда из нейлона и хлопка, лаки и краски, корпуса телефонов и катеров, текстолитовые шестерни, ткани живых организмов и обложки книг, но и горные массивы, бетонные конструкции домов, картины из мозаики, алмазные резцы и гранатовые браслеты.
Сегодня число известных неорганических высокомолекулярных соединений составляет несколько тысяч. Это главным образом природные соединения, от речного песка до алмаза, но в арсенал современной техники уже вошли и некоторые синтетические неорганические полимеры. Но об этом ниже.
ОБЩНОСТЬ И РАЗЛИЧИЯ
Что объединяет органические, элементоорганические и неорганические полимеры и что отличает их друг от друга?
Главное, что определяет принципиальную общность между всеми полимерами, — это большой молекулярный вес и единая природа химической связи между атомами главной цепи.
Во всех высокомолекулярных соединениях главную роль играет ковалентная связь, объединяющая атомы в цепь.
Но неорганические полимерные молекулы часто строятся с помощью координационных связей. Во многих неорганических полимерах, в частности, в пироксеновых минералах, важную роль играет ионная связь между цепями.
Если органические полимеры (исключая трехмерные) являются двуагрегатными, т. е. существуют в виде высокополимера как в твердом виде, так и в растворе, то неорганические полимеры могут сохранять свою высокомолекулярную форму, как правило, лишь в одном состоянии — твердом.
Что касается свойств, то неорганические полимеры по сравнению с органическими имеют больший модуль упругости и повышенную стойкость против термической и окислительной деструкции.
ПОЛИМЕРЫ КАМЕННОГО МИРА
Мы каждый день ходим по неорганическим полимерам. Это песок, глина, гранит…
Для песка-кремнезема до сих лор принята формула SiO2, которая говорит о том, что кремнезем — химическое соединение кремния и кислорода.
Но это определение не полное. Оно не объясняет таких свойств кремнезема, как высокая температура плавления и большая химическая стойкость.
Современные физико-химические исследования структуры двуокиси кремния показали, что каждая крупинка песка представляет собой гигантскую трехмерную молекулу, состоящую из связанных между собой кремнийкислородных цепей. Формула кремнезема должна отражать его полимерное строение и писаться так: (SiO2)n.
Глина представляет собой смесь неорганических высокомолекулярных соединений, построенных из плоских полимерных блоков двух типов: кремнийкислородного и алюмокислородного.
В соединениях, составляющих основу гранитов, полимерная цепь построена из атомов кремния и алюминия, связанных между собою через кислород.
Перечень минеральных полимеров мог бы быть продолжен: корунд — окись алюминия, и гидраргиллит — гидроокись алюминия, все алюмосиликаты и многие силикаты, такие, например, как асбест и серпентинит, тальк и слюда, многие сульфиды и бориды. Многие минералы предстают в новом свете, если взглянуть на них с позиций химии высокомолекулярных соединений.
ПРОМЫШЛЕННОСТЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ ЕСТЬ
Собственно говоря, проблема превращения минерального сырья в искусственные материалы решается уже в течение многих веков, с тех пор, как были изготовлены первые керамические изделия.
В чем сущность процессов получения силикатных строительных материалов и как они выглядят, если взглянуть на них глазами химика? Возьмем, к примеру, получение керамики и цемента. В первом случае глубокое прокаливание глины приводит к образованию керамического черепка. А при получении цементного клинкера глина или песок, к которым добавлена известь, превращаются не в водостойкий черепок, а в вяжущее вещество. И в том и в другом случае первая стадия превращений исходных минералов — это термическая деполимеризация, разрушение полимерных цепей при нагревании. Но на следующей стадии, в производстве керамики мономерные блоки перестраиваются и при охлаждении превращаются в неорганические полимеры нового вида, а во втором случае — превращения останавливаются на стадии деполимеризации. Образовавшиеся при нагревании мономерные кремнийкислородные группы фиксируются ионами кальция (из извести), которые препятствуют полимеризации в охлаждающемся расплаве. Позднее, при кладке стен или при изготовлении бетона, под действием воды эти низкомолекулярные соединения вновь превратятся в неорганические полимеры. Произойдет реакция поликонденсации, в результате которой образуются прочные полимерные гидроксилоксанаты кальция.
Рис. 2. Строение молекул органического (1), элементоорганического (2) и неорганического (3) полимеров (а — линейные молекулы, 6 — плоские).
Полимерная природа бетона, керамики и других строительных материалов предопределяет их высокую прочность, устойчивость к действию влаги и значительную химическую стойкость. Трудно точно предсказать, какие практические выгоды даст человечеству распространение представлений химии высокомолекулярных соединений на химию строительных материалов, но, несомненно, творческий перенос огромного опыта, накопленного наукой о полимерах, откроет новые возможности перед одной из самых массовых отраслей промышленности. Химия преобразует традиционные производства и поможет создать новые строительные материалы.
О СВЯЗИ МЕТАЛЛОВ С ПОЛИМЕРАМИ
Где же в периодической системе пролегает граница между металлами и элементами, образующими гомоцепные полимеры, и существует ли она вообще?
Для металлов характерна металлическая связь, для полимеров — ковалентная. Чем ниже располагается элемент в таблице Менделеева, тем больше он по физическим свойствам отличается от полимера и приближается к металлу.
Так, в ряду: «сера—селен — теллур — полоний» первый элемент — ярко выраженный неметалл, а у последнего преобладают металлические свойства. Но все четыре элемента образуют гигантские цепи полимерных молекул. Это одна сторона взаимосвязи неорганических полимеров и металлов.
С другой стороны, если мы посмотрим на многие металлургические производства, то увидим, что почти любой металл в чистом виде (в частности, чистое железо) не очень-то хорош. Его свойства необходимо существенно улучшить, что часто достигается… присадкой реакционноспособного полимера — углерода. Добавки углерода превращают железо в чугун и сталь.
Наконец, известно, что металлы с гомоцепными полимерами образуют ряд соединений. Широко известны полимерные соединения металлов с кремнием — силициды, и с углеродом — карбиды. Больше того, известны способы химической прививки органических полимеров к поверхности металлического изделия. Поэтому можно ожидать, что наука о полимерах сможет принести пользу и металлургам.
Производства металлов и неорганических полимеров часто идут рука об руку. Получая сталь или чугун, мы одновременно получаем и шлак, который представляет собой расплав гетероцепных неорганических высокомолекулярных соединений.
Производство алюминия — это на всех подготовительных стадиях химическое производство неорганических полимеров. Исходным сырьем служат природные полиалюмосиликаты — нефелин и реже каолин.

Рис. 4. Условная плоскостная схема неупорядоченной силоксанной цепи в натрий-силикатном стекле.
На схеме видно, что и на стекле есть достаточно длинные полимерные цепи. Однако степень их упорядоченности ниже, чем в других неорганических полимерах кремния
СЕГОДНЯ И ЗАВТРА НЕОРГАНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА
В течение многих лет органическая химия, и особенно химия полимеров, были авангардом всей химической науки. Они накопили огромный опыт, создали свои методы синтеза и анализа. Творческий перенос этого опыта в химию неорганических веществ поможет познать тайны окружающего нас неорганического мира. С другой стороны, неорганическая химия существенно обогатит науку о полимерах новыми возможностями синтеза. Ведь эта наука опирается не на один элемент (пусть даже такой великолепный, как углерод), а на несколько десятков.
Появилась возможность синтеза бесконечного числа соединений с большим, чем у органики, многообразием свойств. Первые шаги на пути целенаправленного неорганического синтеза полимеров уже сделаны. В лабораториях получены алмаз, слюда, корунд, гранат, кварцит, асбест, ряд минералов глин и многие другие неорганические полимеры. Некоторые из них уже производятся в промышленных масштабах.
Самым тугоплавким из всех известных человечеству веществ стал синтетический неорганический полимер— сополимер карбидов гафния и титана. Он плавится при температуре свыше 4200°.
Еще одна причина заставляет думать о неорганических полимерах как о важнейших материалах недалекого будущего. Как известно, нефть — главный источник сырья для синтеза обычных полимеров. Но, как полагает английский бюллетень «Петролеум сервис», запасов нефти, известных сегодня человечеству, при существующей интенсивности производства и потребления хватит примерно на три с половиной десятка лет. Пусть даже эта оценка слишком пессимистична, а запасы сырья для производства неорганических полимеров неисчерпаемы!
Уже создан неорганический каучук—полифосфонитрилхлорид, молекулы которого не содержат привычного углерода:
Его свойства подобны свойствам обычных синтетических каучуков, но он не горит.
Близится к завершению работа по созданию высокопрочного искуственного волокна из серы.
Но все это только начало. Число новых неорганических полимерных материалов, обладающих замечательными свойствами, в недалеком будущем резко увеличится. Фундамент этих открытий закладывает новая отрасль науки — химия неорганических полимеров.
Кандидат технических наук Ю. С. ЧЕРКИНСКИЙ