Кремний

Кремний (лат – Silitium, Si) относится к микроэлементам. Быть здоровым и крепким, как кремень. Эта поговорка возникла неспроста. Он придает прочность тканям, повышает их устойчивость к действию неблагоприятных факторов.

История открытия

Кремний в чистом виде был впервые получен в 1811 г. Тогда французские ученые Тенар и Гей-Люссак при реакции нагревания фтористого кремния и калия получили субстанцию буро-коричневого цвета. Это был кремний. Правда, ученые не оценили собственное открытие. Они так и не поняли, что полученное вещество было новым элементом.

Спустя 12 лет шведский химик Берцелиус вновь получил его, когда выделил его из другого вещества, кремнефтористого калия. Название вещества происходит от греческого слова кремнос, что означает скала или утес. На латынь кремень переводится как силекс.

Отсюда и латинское название. Примечательно, что поначалу в русском языке вещество обозначалось как кремнеземий. И лишь затем его сократили до кремния.

Физические и химические свойства

В периодической системе элементов Менделеева кремний располагается в 3 периоде 14 группы под №14. Его атомная масса равна 28. Валентность равна 4, Si (IV).

Изредка в соединениях встречается двухвалентный. Внешне он представляет собой бурое порошкообразное вещество с кристаллической структурой и металлическим блеском. Плотность Si равна 2,33 г/см³, а температура плавления 1417⁰С.

Микроэлемент способен реагировать со многими неметаллами, в т.ч. и с галогенами. Вступает в реакцию с кальцием и некоторыми металлами. С другими металлами образует сплавы (ферросилиций, бронза, силумин), повышая их прочность, жаростойкость, и устойчивость к действию кислот.

Si обладает свойствами полупроводника. Из-за этих свойств он нашел широкое применение в металлургической и электронной промышленности.

В природе это самый распространенный после кислорода элемент. На его долю приходится до 29,5% земной коры. В чистом самородном виде он встречается очень редко. В основном вместе с кислородом включен в состав различных минералов. Самый распространенный из них – диоксид кремния, SiО₂, более известный как кремнезем. Остальные минералы – полевые шпаты, слюды, силикаты, глины.

Некоторые из них растворены в воде рек и морей. Содержание Si в 1 л. воды в среднем составляет 3 мг. Вместе с водой Si поступает в ткани растений. Примечательно, что именно минерал обеспечивает жесткость листьев и стеблей.

Он формирует своего рода каркас. Без него растения бы не стремились ввысь, а устилали землю. В результате общее количество зеленой массы было бы намного меньше. Меньше было бы и кислорода. Животная жизнь в таких условиях вряд ли зародилась. Соответственно, не было бы и человека.

Еще один интересный факт. Он по многим своим параметрам сходен с другим элементом, углеродом. Оба они расположены в одном периоде, оба вступают в связь с водородом. И даже кристаллическая решетка, образованная атомами кремния и углерода имеет сходную структуру.

Как известно, углерод — основа жизни. Ведь все органические соединения представлены углеводородами. В этой связи ученые выдвинули предположение, что если существует жизнь на других планетах, она может быть образована не углеродом, а кремнием. Разумеется, это всего лишь предположение.

Физиологическое действие

В организме человека Si не так уж и много, всего 1-2 мг. Это намного меньше, чем многих других веществ. Именно поэтому он причислили к микроэлементам. Но даже такое малое количество Si в нашем организме играет большую роль. Как уже говорилось, кремний в растениях обеспечивает их прочность. Примерно то же самое он делает в организме животных и человека.

Этот микроэлемент входит в состав коллагена, белка, придающего прочность соединительнотканным структурам. Еще один кремнийсодержащий белок – эластин. Название говорит само за себя. Именно благодаря этому белку ткань становится эластичной. Коллагеновые и эластиновые волокна наряду с другими структурами входят в состав т.н. матрикса.

Это межклеточная среда, интерстициальная ткань. Она формирует каркас, строму, укрепляет соединительную ткань. Матрикс обеспечивает межклеточный транспорт питательных веществ (нутриентов) и продуктов жизнедеятельности. И все это в немалой степени благодаря кремнию.

Как известно, соединительная ткань в нашем организме находится практически повсюду. Из нее образованы кости, сухожилия, суставные хрящи, зубы, стенки сосудов, кожа с придатками. И благодаря кремнию все это сохраняет прочность и не разрушается.

Хотя, как известно, наши кости образованы не столько кремнием, сколько кальцием, точнее, кальциевой солью фосфорной кислоты, кальция фосфатом. Но и здесь без участия микроэлемента процесс не идет. Дело в том, что именно он улучшает усваивание кальция и фосфора, и способствует их отложению в костной ткани.

Благодаря ему кости становятся прочными, устойчивыми к действию травмирующих агентов. Если перелом все-таки произошел, то кремний стимулирует минерализацию костной ткани, способствует образованию костной мозоли, и ускоряет процессы заживления.

Аналогичным образом он влияет на состояние связок, сухожилий, зубов. Кремний повышает прочность хрящевой ткани суставов и межпозвонковых дисков. Это замедляет развитие дистрофических и дегенеративных процессов, протекающих по типу остеохондроза, артрозов.

Но эффекты Si не ограничиваются одним лишь укреплением опорно-двигательного аппарата. Он обеспечивает усваивание около 70% поступающих извне микро и макроэлементов. Среди них не только кальций и фосфор, но и калий, натрий, сера, магний, железо, фтор. Без него все эти вещества даже при их избыточном поступлении все равно бы плохо усваивались тканями.

Следовательно, многие нутриенты в нашем организме реализуют свои физиологические эффекты благодаря ему. Установлено, что Si повышает антиоксидантную силу важнейших для нас витаминов – вит. А, С, Е. Микроэлемент участвует в синтезе многих гормонов, аминокислот, ферментов. Тем самым он позитивно влияет на состояние жизненно важных систем органов.

Прежде всего, это сердечно-сосудистая система. Микроэлемент повышает эластичность сосудов, и снижает их проницаемость для плазмы, форменных элементов крови. Это предотвращает появление тканевых отеков и развитие атеросклероза.

Антиатеросклеротическое действие кремния заключается еще и в том, что он регулирует обмен липидов (жироподобных веществ), и предотвращает появление жировых отложений в подкожном слое. Он угнетает синтез низкоплотного холестерина. Именно это вещество идет на построение атеросклеротических бляшек.

Он нормализует массу тела, и предотвращает ожирение. С ожирением непосредственно связаны такие заболевания, как гипертоническая болезнь и сахарный диабет. Действие его направлено на расширение артериальных сосудов. Расширение просвета артерий автоматически приводит к снижению артериального давления (АД).

При этом улучшается снабжение кровью органов и тканей, и, прежде всего, миокарда и головного мозга. В итоге предотвращаются такие крайне нежелательные явления, как инфаркт миокарда и мозговой инсульт. Кровоснабжение почечной ткани тоже улучшается. Соответственно, улучшаются фильтрационные процессы, связанные с образованием мочи.

Si стимулирует синтез инсулина, и повышает чувствительность к нему клеток тканей. Благодаря этому снижается риск сахарного диабета, особенно II типа, связанного с ожирением.

Этот макроэлемент участвует в процессах деполяризации и реполяризации мембран нервных волокон, и тем самым обеспечивает проведение импульсов по нервным волокнам центральной и периферической нервной системы. Благодаря этому обеспечивается различные виды чувствительности и движений, многие вегетативные процессы, а также мышление, память.

Если всасывание многих нутриентов кремний улучшает, то некоторые токсины он напротив, выводит. Прежде всего, это тяжелые металлы, которые поражают головной мозг, печень, почки, миокард. Он вступает с ними в реакцию. В результате образуются нетоксичные соединения, которые удаляются из организма.

Данный микроэлемент усиливает иммунную защиту. Это связано с повышением фагоцитарной активности лимфоцитов под действием кремния, а также с непосредственным повреждающим действием на некоторые типы патогенных (болезнетворных) бактерий и грибков. Стимуляция иммунитета в значительной степени связана с антиоксидантной защитой.

Он помогает нейтрализовать свободные радикалы. Эти высокоактивные частицы образуются в ходе жизнедеятельности, и повреждают клеточные мембраны, вызывают гибель клетки. На уровне организма это проявляется хроническими воспалениями, аллергическими реакциями, и появлением злокачественных опухолей. Кремний предотвращает эти негативные процессы.

Заметно влияние Si на состояние кожи и придатков. Он делает кожу упругой и эластичной, улучшает ее барьерную функцию. Кожа и слизистые становятся более устойчивыми к действию инфекции, токсинов, а также процессов, связанных с естественным старением.

Прочность ногтей под действием кремния тоже повышается. Аналогичным образом он действует на волосы, предотвращая их выпадение.

Суточная потребность

Рекомендуемая суточная доза Si для детей не определена. Для взрослых она составляет 20-50 мг. Хотя некоторые считают, что человеку необходимо 50-100 мг кремния в сутки.

Причины и признаки дефицита

Казалось бы, кремний, один из наиболее распространенных в природе микроэлементов, всегда должен поступать к нам в нужном количестве. Однако его дефицит встречается намного чаще, чем считается.

Прежде всего, это нерациональное питание. Игнорирование растительной пищи, богатой им, и предпочтение животным продуктам (мясо, субпродукты) может негативно отразиться на балансе этого микроэлемента в организме.

При заболеваниях ЖКТ (желудочно-кишечного тракта) ухудшается всасывание кремния в тонком кишечнике. При этом наблюдается дефицит многих других нутриентов.

Установлена связь между нехваткой кремния и гастритом с пониженной кислотностью. Естественное старение тоже сопровождается снижением количества Si в организме.

Некоторые состояния сопровождаются усиленным расходом микроэлемента. Это период бурного роста, интенсивные физические и умственные нагрузки, беременность. При этом может формироваться относительная недостаточность Si .

Ряд хронических заболеваний, обменных нарушений, также сопровождается повышенным расходом микроэлемента. Еще одна причина кремниевого дефицита – гельминтозы. Постоянно обитающие в кишечнике паразиты используют микроэлемент для собственных нужд.

Проявления нехватки Si в массе своей неспецифичны, и могут наблюдаться при дефиците многих других нутриентов. Все закономерно, ведь при низком содержании кремния усваивание других минералов, витаминов, тоже ухудшается.

Прежде всего, страдает опорно-двигательный аппарат, сердечно-сосудистая и иммунная система. Снижается прочность костей, появляются признаки остеопороза. В итоге возрастает риск переломов. Суставной артроз, остеохондроз межпозвонковых дисков тоже ухудшают двигательную функцию.

В сосудистом просвете появляются атеросклеротические бляшки. Растет АД, формируется гипертоническая болезнь. Эти процессы часто приводят к инфарктам и инсультам. Из-за повышенной проницаемости сосудов в подкожном слое иногда возникают очаговые кровоизлияния.

Сама кожа тоже изменяется не в лучшую сторону. Она становится дряблой, морщинистой, с пигментными пятнами. Часто возникает аллергическая сыпь, грибковые поражения (дерматомикозы). Ногтевые платины на пальцах кистей и стоп расслаиваются и размягчаются. Волосы истончаются и выпадают. Зубы тоже выпадают из-за кариеса и пародонтоза.

Растет масса тела за счет жировой ткани. В свою очередь, это приводит к сахарному диабету. Из-за слабого иммунитета часто возникают аллергические реакции. Снижается устойчивость к простудным инфекциям. Возрастает опасность злокачественных новообразований.

Ухудшение циркуляции крови приводит к кислородному голоданию (гипоксии) тканей. Наименее устойчив к гипоксии головной мозг. Поэтому пациенты жалуются на общую слабость, быструю утомляемость, расстройства сна. Ухудшается усваивание новой информации. Появляются негативные эмоции: депрессия, плаксивость, раздражительность.

Источники поступления

Особенно много кремния в растениях, богатых клетчаткой. Это злаки, бобовые, орехи, а также овощи, фрукты. Здесь Si включен в состав растительных волокон. Что касается животных продуктов (мясо, субпродукты, молоко), то на роль поставщиков этого микроэлемента они не годятся.

Содержание Si в 100 г пищевых продуктов:

Продукт	Содержание, мг/100 г
Нешлифованный рис	1240
Овес зерновой	1000
Просо	760
Семена кунжута	200
Ячмень	620
Гречка	120
Горох	82
Фасоль	92
Соевые бобы	170
Кукуруза	60
Топинамбур	80
Грецкий орех	58
Арахис	80
Миндаль, фисташки, фундук	50
Банан	75
Дыня	81
Земляника	100
Виноград	13
Вишня	46
Черника	20
Груша, абрикос, апельсин	6
Персик	10
Свежий инжир	48
Огурцы	53
Помидоры	10
Картофель	50
Свекла	78
Тыква, редис	30
Капуста белокочанная	50
Капуста кольраби	70

 

Консервирование, рафинирование продуктов приводит к снижению в них количества кремния. То же самое происходит в процессе кулинарной обработки. Особенно нежелательно в этом плане приготовление пищи в алюминиевой посуде.

Алюминий – сам по себе токсичный материал. Уже доказано, что посуда из алюминия не такая уж и безвредная, как считалось ранее. К тому же «посудный» алюминий связывает пищевой кремний.

Помимо пищевых продуктов много его в некоторых «не пищевых» растениях. Это хвощ полевой, ромашка полевая, полынь, можжевельник, гинкго двулопастный, тимьян. В виде настоев и отваров эти растения тоже могут служить источниками Si.

Особенно полезен в этом плане хвощ полевой. Это многолетнее травянистое растение содержит от 50 до 75% кремния.

Примечательно, что водный настой можно сделать не только из растений, но и из минералов. Черный кремень содержит комплекс кремнийсодержащих минералов: кварца, халцедона, опала. В виде кремниевых камешков его можно приобрести в аптеках за доступную цену.

Камешки заливают водой, и настаивают в течение нескольких дней. Затем верхний слой сливают. Это и есть кремниевая вода. Ее принимают внутрь или наружно как средство для умывания, мытья волос и головы, полоскания горла.

 

Метаболизм

Всасывание пищевого кремния осуществляется в желудке, а также в начальных отделах тонкого кишечника. Предполагают, что под действием пищеварительных соков образуется кремниевая кислота, которая затем и усваивается в ЖКТ. Однако установлено, что у человека и у животных микроэлемент может всасываться в виде фитолитов.

Это мельчайшие частички растительного кремнезема. Они проникают через слизистые ЖКТ, попадают в кровь, лимфу, и разносятся по организму. Усваивание в значительной степени зависит от качества пищи. Установлено, что Si из пищи, богатой клетчаткой, всасывается в 2 раза лучше, чем из пищи, бедной клетчаткой.

Однако в целом биодоступность этого микроэлемента невысока. В ЖКТ всасывается не более 4% пищевого кремния, а остальное количество выводится кишечником. Вместе с кровью Si в виде кремниевой кислоты разносится по органам и тканям. Распределение в организме неравномерное.

Наибольшее количество отмечается в соединительнотканных структурах. Это кости, связки, суставные хрящи, стенка аорты, трахея, а также кожа, волосы и лимфатические узлы. В мышечной ткани, в печени и в почках кремния содержится намного меньше.

Выводится кремний с почками. Характерно, что чем больше поступает этого микроэлемента, тем сильнее он теряется с мочой. Вероятно, этот механизм призван максимально защитить организм от его избытка.

Взаимодействие с другими веществами

Усиливает эффекты, оказываемые вит. А, С, Е. Улучшает всасывание калия, кальция, натрия, фтора, фосфора, магния, серы. Нежелательно комбинировать с марганцем и алюминием – при взаимодействии с этими металлами образуется нерастворимые невсасывающиеся силикаты. Также не стоит сочетать с молибденом, т.к. оба эти элемента являются антагонистами.

Повышение уровня молибдена в пище, прием молибденсодержащих средств приводит к снижению содержания кремния в организме. Углеводная пища также ухудшает его всасывание. В сою очередь, он нейтрализует действие токсинов, содержащих хлор, нитраты, соли свинца, ртути, и других тяжелых металлов.

Признаки избытка

В основном избыток кремния связан с работами на вредных производствах. Из-за технологических особенностей, связанных с производством стекла, цемента, добычей кремнийсодержащих минералов во вдыхаемом воздухе создается повышенная концентрация солей кремниевой кислоты, силикатов.

Последние откладываются в бронхолегочной системе. Развивается силикоз. Это производственное заболевание протекает с одышкой, кашлем, синюшностью (цианозом) кожных покровов вследствие хронической дыхательной недостаточности.

Толерантность к физическим нагрузкам снижается. Малейшее напряжение приводит к усилению одышки. Снижается устойчивость к простудным инфекциям.

Часто развивается туберкулез легких. В дыхательную патологию вторично вовлекается сердечно-сосудистая система. Развивается хроническая сердечная недостаточность с застойными явлениями в органах и тканях, с периферическими отеками.

Некоторые регионы характеризуются повышенным содержанием соединений кремния в воде и в почвах. В этих случаях он может поступать в организм в повышенном количестве вместе с пищевыми продуктами.

Об избытке кремния говорят, если его суточное поступление превышает 500 мг. И здесь снова страдает дыхательная система. Легочная ткань замещается фиброзной соединительной. Легочный фиброз также протекает с хронической дыхательной недостаточностью. На его фоне часто развивается рак легких, распространяющийся на плевру. Злокачественные новообразования могут формироваться и в органах брюшной полости.

Страдают почки, печень. Нарушение процессов образование мочи приводит к формированию камней в мочевыводящих путях. При первых же признаках избытка кремния ограничивают прием продуктов, богатых этим микроэлементом, и проводят комплексное лечение. Для предотвращения силикоза на вредных производствах рекомендуется пользоваться респираторами.