Το πυρίτιο 💎
Πριν από 500.000 χρόνια, κατά την Παλαιολιθική εποχή, οι άνθρωποι έφτιαχναν απλά εργαλεία από πυρόλιθους, το βασικό συστατικό των οποίων είναι το διοξείδιο του πυριτίου . Πριν από 20.000 χρόνια, κατά τη Νεολιθική εποχή, έφτιαχναν επίσης από πυρόλιθους μαχαίρια και αιχμές για τα βέλη τους. Στη σημερινή εποχή, οι άνθρωποι φτιάχνουν ηλεκτρονικές συσκευές σε εκπληκτικά μικρό μέγεθος και με ασύλληπτες δυνατότητες, στις οποίες χρησιμοποιούν «τσιπάκια». Τα «τσιπάκια» αυτά δε θα υπήρχαν χωρίς το πυρίτιο.
Το ίδιο στοιχείο που έδωσε στους προϊστορικούς ανθρώπους τα πρώτα κοφτερά εργαλεία τους είναι σήμερα η βάση κάθε ηλεκτρονικού υπολογιστή και κινητού τηλεφώνου — μια εντυπωσιακή απόσταση 500.000 ετών ανάμεσα σε δύο εφαρμογές του ίδιου χημικού στοιχείου.
Η μελέτη του πυριτίου και των εφαρμογών του είναι μια χαρακτηριστική περίπτωση της αλληλεπίδρασης των συστημάτων. Η ανακάλυψη της ιδιότητάς του να είναι ημιαγωγός οδήγησε στα τρανζίστορ. Τα τρανζίστορ σήμαναν την αρχή της τεχνολογικής επανάστασης του 20ού αιώνα, η οποία οδήγησε σε μια επανάσταση στην ανθρώπινη επικοινωνία, στη διάχυση των πολιτισμών και στην κατανόηση των ομοιοτήτων αλλά και των διαφορών ανθρώπων από διαφορετικά πολιτισμικά περιβάλλοντα. Με τον τρόπο αυτό το πυρίτιο συνέβαλε στη διαμόρφωση μιας κοινωνίας πιο ανεκτικής στις διαφορές. Ακόμη η τεχνολογία άνοιξε νέους δρόμους στο εμπόριο και αποτέλεσε από μόνη της μια νέα πηγή επαγγελματικής και οικονομικής δραστηριότητας: μετέβαλε τους τομείς επαγγελματικής ενασχόλησης και διαμόρφωσε μια νέα ισχύ, την ισχύ που πηγάζει από την τεχνολογική εξέλιξη και γνώση.
5.1 Γενικά
Το πυρίτιο βρίσκεται στην 14η ομάδα του περιοδικού πίνακα, στην ίδια ομάδα με τον άνθρακα, αλλά στην επόμενη περίοδο. Είναι το δεύτερο σε αναλογία στοιχείο στο στερεό φλοιό της Γης και, σε αντίθεση με τον άνθρακα, δε βρίσκεται ελεύθερο στη φύση.
Το πυρίτιο συναντάται επίσης σε ορισμένα ορυκτά (άστριοι, μαρμαρυγίες, άργιλοι) και στους ημιπολύτιμους λίθους τοπάζι και ζιρκόνιο.
Η κυριότερη ένωσή του είναι το διοξείδιο του πυριτίου που συνιστά τους διάφορους χαλαζίες, είτε σε κρυσταλλική μορφή (χαλαζίας, αμέθυστος) είτε σε άμορφη μορφή (όνυχας, οπάλιος, αχάτης κ.ά.). Το μεγαλύτερο όμως μέρος του διοξειδίου του πυριτίου απαντάται με τη μορφή της κοινής πυριτικής άμμου (άμμος θάλασσας).
Το πυρίτιο είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στο στερεό φλοιό της Γης (μετά το οξυγόνο), αλλά μαθητές συχνά το μπερδεύουν με τον άνθρακα, που βρίσκεται ελεύθερος στη φύση (π.χ. διαμάντι, γραφίτης). Το πυρίτιο δεν εμφανίζεται ποτέ ελεύθερο — πάντα ως ένωση, κυρίως ως διοξείδιο του πυριτίου.
5.2 Το γυαλί
Το γυαλί είναι εύθραυστο, σκληρό, άμορφο στερεό, κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Όταν θερμαίνεται, ρευστοποιείται, οπότε μπορεί να χυθεί σε καλούπια ή να «φυσηθεί» με αέρα και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή διαφόρων αντικειμένων. Στη φύση υπάρχει με τη μορφή του φυσικού γυαλιού, που δημιουργείται κατά την ταχεία άνοδο και ψύξη του μάγματος στην επιφάνεια της Γης. Κυριότερες μορφές φυσικού γυαλιού είναι ο οψιδιανός και ο περλίτης, μορφές που απαντούν και στον ελλαδικό χώρο (στα νησιά Νίσυρο και Μήλο).
Ο άνθρωπος παρασκεύασε για πρώτη φορά γυαλί στη Μεσοποταμία, όπου βρέθηκε η αρχαιότερη συνταγή σε επιγραφή. Σύμφωνα με την επιγραφή, παρασκευάζεται με ανάμειξη άμμου , σόδας , ασβεστόλιθου και με θέρμανση του μείγματος σε πολύ υψηλή θερμοκρασία — συνταγή που εφαρμόζεται και σήμερα για την παραγωγή του κοινού γυαλιού.
Με αντικατάσταση της σόδας από ποτάσα παράγεται γυαλί πιο σκληρό και πιο διαφανές από το κοινό, ενώ αν στο μείγμα προστεθούν και οξείδια του μολύβδου παράγονται τα διάφορα κρύσταλλα. Με την προσθήκη οξειδίων διαφόρων στοιχείων παρασκευάζονται ειδικά γυαλιά, όπως τα θερμοανθεκτικά (pyrex) και τα έγχρωμα γυαλιά.
Η αρχαιότερη γνωστή συνταγή γυαλιού βρέθηκε γραμμένη σε επιγραφή στη Μεσοποταμία — και η βασική της λογική (άμμος, σόδα, ασβεστόλιθος, υψηλή θερμοκρασία) είναι ουσιαστικά η ίδια συνταγή που χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα για την παραγωγή κοινού γυαλιού.
5.3 Τα κεραμικά
Η άργιλος είναι ένα άμορφο φυσικό υλικό που αποτελείται από ενώσεις του αργιλίου (Al), του πυριτίου (Si), του υδρογόνου (H) και του οξυγόνου (O). Η κεραμευτική, μια πανάρχαια τέχνη, χρησιμοποιεί ως πρώτη ύλη το αργιλόχωμα, δηλαδή άργιλο με προσμείξεις. Το αργιλόχωμα, όταν αναμειχτεί με νερό, μετατρέπεται σε πλαστική μάζα που μπορεί να πάρει οποιαδήποτε μορφή και σχήμα. Στη συνέχεια το μορφοποιημένο αντικείμενο αφήνεται στον αέρα να ξηρανθεί και ακολούθως ψήνεται σε ειδικούς φούρνους. Για να αποκτήσουν τα κεραμικά γυαλιστερή επιφάνεια με όμορφα χρώματα και σχήματα, επικαλύπτονται με κατάλληλα υλικά και ξαναψήνονται.
Στα παραδοσιακά κεραμικά περιλαμβάνονται:
| Είδος | Πρώτη ύλη / χαρακτηριστικά | Παραδείγματα |
|---|---|---|
| Προϊόντα αγγειοπλαστικής | Άργιλος κατώτερης ποιότητας | Κεραμίδια, γλάστρες, στάμνες, τούβλα |
| Πιάτα, πλακάκια, είδη υγιεινής | Ειδικός πηλός, η φαγεντιανή γη | — |
| Πορσελάνες | Καολίνη, η καθαρότερη μορφή αργίλου | Το καλύτερο είδος κεραμικού |
| Πυρίμαχα κεραμικά | Άργιλος ειδικής ποιότητας με οξείδιο του μαγνησίου (MgO) | Πυρίμαχα τούβλα (τζάκια, καμίνια) |
Η άργιλος είναι το καθαρό υλικό (ένωση Al, Si, H, O)· το αργιλόχωμα είναι άργιλος με προσμείξεις, και είναι αυτό που χρησιμοποιεί στην πράξη η κεραμευτική. Μην τα ταυτίζεις όταν περιγράφεις τη διαδικασία.
5.4 Οι οπτικές ίνες
Μέχρι πριν από μερικές δεκαετίες, η ενσύρματη επικοινωνία στηριζόταν στο ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο μετέφερε τις πληροφορίες διαρρέοντας χάλκινα καλώδια. Τα τελευταία χρόνια τα καλώδια δίνουν σταδιακά τη θέση τους στις οπτικές ίνες και το ηλεκτρικό ρεύμα δίνει τη θέση του στις φωτεινές ή γενικότερα στις ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες. Οι οπτικές ίνες είναι κατασκευασμένες από γυαλί πολύ μεγάλης καθαρότητας, έχουν κυλινδρική μορφή και διάμετρο όσο περίπου μια ανθρώπινη τρίχα. Η διάδοση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με τις οπτικές ίνες στηρίζεται στις πολλαπλές ανακλάσεις της ακτινοβολίας στο εσωτερικό της οπτικής ίνας.
Συγκρινόμενες με τους παραδοσιακούς χάλκινους αγωγούς, οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα:
- Το διοξείδιο του πυριτίου, που αποτελεί την πρώτη ύλη παρασκευής τους, υπάρχει άφθονο στη φύση, σε αντίθεση με τον χαλκό από τον οποίο κατασκευάζονται τα καλώδια.
- Μια οπτική ίνα αντιστοιχεί, ως προς την ικανότητα μεταφοράς πληροφοριών, σε εκατοντάδες χάλκινους αγωγούς.
- Έχουν μικρό βάρος.
- Είναι φθηνότερες από τα άλλα μέσα μετάδοσης τηλεπικοινωνιακών μηνυμάτων.
- Είναι σχεδόν αδύνατη η υποκλοπή και γενικότερα οι παρεμβολές.
Ενώ ο χαλκός των παραδοσιακών καλωδίων είναι σχετικά σπάνιος και ακριβός, η πρώτη ύλη των οπτικών ινών — το διοξείδιο του πυριτίου — βρίσκεται σχεδόν παντού γύρω μας, ακόμα και στην κοινή άμμο της παραλίας.
5.5 Οι ημιαγωγοί
Οι ημιαγωγοί είναι χημικά στοιχεία ή χημικές ενώσεις με τεράστια τεχνολογική σημασία, αφού αποτελούν τη βάση της μικροηλεκτρονικής και των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επιτρέπουν στο ηλεκτρικό ρεύμα να διέρχεται μόνο κατά μία συγκεκριμένη φορά, που ονομάζεται αγώγιμη φορά, και όχι κατά την αντίθετη κατεύθυνση, που ονομάζεται ανασταλτική φορά. Ο κυριότερος ημιαγωγός από άποψη εφαρμογών είναι το πυρίτιο (Si).
Οι σιλικόνες
Μια άλλη κατηγορία ενώσεων του πυριτίου είναι οι σιλικόνες. Είναι πυριτικές μεγαλομοριακές ενώσεις που περιέχουν και άνθρακα. Κάθε μακρομόριο έχει έναν σκελετό που αποτελείται από εναλλασσόμενα άτομα πυριτίου και οξυγόνου (-Si-O-). Οι σιλικόνες μπορεί να είναι υγρές ή στερεές ανάλογα με τη δομή τους. Χαρακτηρίζονται από επιθυμητές φυσικές ιδιότητες (ελαστικές, μη διαπερατές από το νερό) σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Εμφανίζουν μεγάλη χημική αδράνεια (δεν οξειδώνονται) και, σε συνδυασμό με τις καλές φυσικές ιδιότητες που παρουσιάζουν, χρησιμοποιούνται σε πολλούς τομείς, όπως στην παρασκευή μονωτικών υλικών, λιπαντικών, βερνικιών, καλλυντικών, χειρουργικών εργαλείων και στην πλαστική χειρουργική.
Οι σιλικόνες δεν είναι το ίδιο με το πυρίτιο ή το διοξείδιο του πυριτίου: είναι μεγαλομοριακές ενώσεις με σκελετό -Si-O- που περιέχουν επιπλέον και άνθρακα, με εντελώς διαφορετικές ιδιότητες και χρήσεις (λιπαντικά, καλλυντικά, χειρουργικά υλικά) από τον ημιαγωγό πυρίτιο των τσιπ.