Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 30 страниц)
А нет ли других путей?
Это нелегко – получить металлический бериллий. Так же как в производстве алюминия, первым этапом здесь является получение чистой окиси бериллия.
Конечно, не редкие лучезарные драгоценные камни используют в качестве бериллиевой руды, а технический берилл, бесцветные или серовато-грязного цвета кристаллы которого встречаются во многих местах земного шара.
Процесс получения чистой окиси бериллия включает в себя плавку берилла с известью в электрических печах, гранулирование, сульфатизацию, выщелачивание сульфата алюминия, выпаривание, осаживание квасцов, центрофугирование, кристаллизацию, сушку… Длинная-длинная цепочка операций, в результате которых удается получить довольно чистую окись бериллия. Но и это еще не конец: окись бериллия в специальной печи переводят в хлорид бериллия. Это соединение выделяется из печи в виде газа, который затем конденсируется, и только тогда начинается электролиз бериллия.
Так как этот процесс осуществляется при температуре всего в 350 градусов, бериллий выделяется в твердом виде, чешуйками. Их снимают, промывают, высушивают и спрессовывают в брикеты. Эти брикеты сплавляют в компактный металл в атмосфере водорода при температуре в 1400 градусов. Окончательную переплавку и разливку бериллия осуществляют в вакуумной электропечи. Из получаемого металла отливают цилиндрические прутки. Они содержат не более 0,2 процента примесей, главным образом окиси бериллия.
Для изготовления «окон» рентгеновских трубок от такого стерженька бериллия отрезают карборундовым кругом ломтик-диск толщиной в 2,5–3 мм. Его остается только отполировать.
Есть и другой способ получения бериллия – термический. Но он не проще и не легче описанного, хотя и чаще применяется.
Тонкое, почти ювелирное производство. Сколько труда приходится затрачивать, чтобы получить крылатые металлы – алюминий, магний, бериллий! А нет ли других, более прямых путей получения этих металлов, вроде тех, которыми получают железо? Чтобы сразу в огне домны ушли в шлак все вредные примеси и остался один металл.
Такие пути давно ищут металлурги во всех странах мира, где существует производство крылатых металлов, и кое-какие успехи уже достигнуты.
Уже получили путевку в жизнь термические способы изготовления магния из его окиси. Восстановление металла осуществляется в электропечах углеродом нефтяного кокса. Металлический магний в виде газа удаляется из печи, работающей при температуре в 1950–2050 градусов, охлаждается и собирается в виде пыли, улавливаемой мешочными фильтрами. Осуществляется и получение магния вытеснением его из окиси металлическим алюминием.
Сложнее обстоит дело с алюминием и бериллием. Дело в том, что оба эти металла энергично и прочно соединяются с углеродом, образуя карбиды. Поэтому для получения этих металлов восстановлением углеродом нужно участие второго металла, который растворял бы образующийся металл, предохраняя его от соприкосновения с углеродом.
Таким способом получают меднобериллиевые и никелебериллиевые сплавы. Очевидно, что в этих случаях растворяющими бериллий металлами были медь и никель.
Таким же способом в электропечах получают сплав алюминия с кремнием – так называемый силикоалюминий. Путем дальнейшей переработки из силикоалюминия можно получать и чистый алюминий.
Превратят ли будущие металлурги эти почти не хоженые сегодня пути получения крылатых металлов в столбовую дорогу? Вряд ли. По всей вероятности, будут совершенствоваться уже проложенные пути, связанные с электролизом расплавленных соединений. Но, может быть…
Да, история науки знает немало случаев, когда внезапно резко изменялся весь путь развития целой отрасли производства. Может быть, еще не открыт самый простой и экономичный способ получения этих металлов. Получил же алюминий из глины, понятия не имея об электрическом токе, древнеримский металлург? И даже если это просто сказка, пусть она воодушевляет на новые поиски…
Самый легкий
Литий является самым легким из металлов. Его удельный вес равен 0,534. Он вдвое легче воды, в 15 раз легче железа. Вот бы из него строить самолеты и космические ракеты!
Однако все остальные свойства лития как будто специально подобраны такими, чтобы это как можно дольше оставалось манящей мечтой для инженеров-конструкторов. Ибо…
По своим механическим свойствам легкий литий напоминает тяжелый свинец. Он такой же мягкий и непрочный. Попробуйте представить себе в сверхзвуковом полете крыло самолета, сделанное из такого податливого и непрочного металла.
Литий плавится при температуре в 186 градусов. При температуре в 1336 градусов он кипит. Однако на открытом воздухе уже при температуре около 600 градусов он загорается.
Да, незавидная перспектива – оказаться в кабине ионосферной космической ракеты, сделанной из лития! Случайно брошенная спичка уже может проплавить в нем дыру. Опасно будет уронить горящий пепел папиросы, не говоря уже о неизбежном сильном аэродинамическом нагреве от трения об атмосферу.
Литий соединяется при комнатной температуре и с азотом и с кислородом воздуха. Если оставить кусок лития в стеклянной банке с притертой пробкой, вы рискуете потом не открыть этой пробки совсем: литий поглотит весь воздух в банке, там образуется вакуум, и атмосферное давление накрепко вдавит пробку.
Не сможет долго ожидать пассажиров летательный аппарат, изготовленный из лития. Пока идет посадка, он весь превратится в соединения лития с азотом и кислородом, рассыпется коричневатым порошком.
«…и он приказал ему, и грозный дух сжался, сморщился и послушно залез в узкое горлышко сосуда».
Трудно окажется пилотам и космической ракеты, сделанной из лития. В атмосферах многих планет имеется большое количество водорода. Он – основной компонент и межпланетного газа. А литий еще более активно, чем с кислородом и азотом, соединяется с водородом. Огромные его количества по объему можно связать ничтожным количеством лития. Один килограмм гидрата лития (так называется его соединение с водородом) уместится в коробке для макарон. А ведь в нем содержится полторы тысячи литров водорода! Перевозить водород в виде соединения с литием в целом ряде случаев оказывается удобнее, чем в тяжелых стальных баллонах. Это одно из важнейших сегодня применений лития. Да и все другие применения лития сегодня – это применения его соединений и сплавов.
Гидрат лития является отличным раскислителем расплавленных металлов.
Едкий литий – соединение с кислородом и водородом – добавляют в электролит аккумуляторов. Это удлиняет срок их работы.
Смазки, в которые вводят некоторые соединения лития, меньше загустевают на морозе и разжижаются при повышении температуры. Они применяются в авиации.
Соли лития входят в состав специальных стекол, пропускающих ультрафиолетовые лучи. В стекле кинескопа вашего телевизора также содержится литий. Но главные применения лития все-таки впереди.
Что из того, что у чистого лития недостаточная прочность, высокая химическая активность, низкая температура плавления? И алюминий не рождается в электролитической ванне прочным, как сталь, и благородным, как платина. И прочность и устойчивость против химических воздействий придает ему человек, приспосабливая для своих целей. Сумеет он приспособить и литий.
Техника уже знает целый ряд сплавов лития, обладающих некоторыми совсем не плохими свойствами. Так, сплав с алюминием, содержащий 20 процентов лития, плавится только при температуре в 720 градусов. Совсем не плохо! Сплав с цинком, содержащий 18 процентов лития, плавится при 520 градусах. И так далее и так далее.
Вполне возможно, что будут найдены способы упрочить литий, сделать его более коррозионно устойчивым, сохранив драгоценную легкость, – в общем, превратить литий в крылатый металл, который с восторгом за его отличные качества примут конструкторы, который унесет человека и за пределы родной планеты.
Топливо межпланетных кораблей
Взгляните на чертеж космической ракеты: вся она по существу состоит из одних баков с топливом – горючим и окислителем. Все остальное– пассажирские ли помещения космических лайнеров близкого будущего, помещения ли для автоматической аппаратуры сегодняшних лунных разведчиков, ракетные ли двигатели – занимает небольшое сравнительно место.
Много энергии надо затратить, чтобы разорвать оковы земного тяготения, чтобы прыгнуть с поверхности Земли в космический океан. Требующаяся энергия и содержится в топливе ракеты. Но так как химическое топливо недостаточно энергоемко – может выделить сравнительно мало энергии на единицу веса, – его и приходится загружать в ракету в столь огромных количествах.
Всю жизнь искал Константин Эдуардович Циолковский, человек, указавший людям ту дорогу в небо, по которой сейчас и развивается штурм Вселенной, наиболее энергоемкие топлива. Он остановился на смеси кислорода и водорода. Каждый килограмм этой смеси при полном сгорании выделяет свыше 3 тысяч больших калорий тепла.
Это кажется страшно много. Ведь смесь керосина с кислородом при сгорании выделяет всего 2200 калорий, а килограмм нитроглицерина, одного из сильнейших известных сегодня взрывчатых веществ, при взрыве выделяет всего 1480 калорий тепла.
Но и работающая на водороде и кислороде ракета получается громоздкой, тяжелой, неудобной. Ее приходится делать многоступенчатой. Нет, нужны лучшие топлива!
Конечно, в первую очередь приходит в голову идея использовать атомное горючее. И, конечно, работы в этом направлении ведутся во многих странах. Но создание атомных ракет наталкивается на целый ряд технических трудностей. И нельзя еще сказать, когда они будут преодолены.
А ведь еще в двадцатых годах этого века советский инженер Фридрих Артурович Цандер предложил использовать в качестве горючего для космических ракет некоторые металлы.
Какие же? Да, конечно, те, которые дают при сгорании максимальное количество тепла. А к ним относятся как раз наши крылатые металлы.
Самое большое количество тепла выделяет при сгорании бериллий: 1 кг этого металла выделяет при соединении с кислородом 15 050 калорий!
На втором месте оказывается литий. Он при аналогичных условиях выделяет 10 270 калорий.
На третьем среди металлов – алюминий. Теплота образования его окисла – 7041 калория.
…Может быть, не только крылья самолетов и корпусы космических ракет будущего будут делать из сплавов бериллия и лития. Может быть, и в соплах их ракетных двигателей будет рокотать пламя сгорающих бериллия и лития…
Не этим ли металлам суждено быть первыми помощниками человека в завоевании Вселенной?
Поиски возможных соперников
Рассказывают, на спортивном празднике в Ташкенте лет пятнадцать-двадцать назад был такой случай.
Шли соревнования по метанию диска. Чемпионы республики, мастера спорта, напрягая все силы, помноженные на высочайшую технику, старались забросить диск как можно дальше. Каждый десяток сантиметров был большим достижением, а лишние полметра стадион приветствовал грохотом восторженных рукоплесканий.
И тогда с трибун сошел широкоплечий парень, одетый в костюм чабана. Ничто не выявляло в нем спортсмена. Он сбросил халат и остался в яркой шелковой рубахе.
– Дайте я попробую, – попросил он диск у судейского столика.
Вероятно, смеха ради, диск ему дали. Он взял его очень неумело – явно первый раз в жизни. Потом приспособился, взмахнул рукой, и спортивный снаряд со свистом взлетел в прозрачную голубизну неба. Затаив дыхание, следил за его полетом стадион. Словно одной грудью ахнул он, когда диск упал дальше самых дальних отметок соревнования.
Говорят, из паренька получился мастер спорта, который многократно защищал потом честь страны на международных соревнованиях.
А тогда это был неожиданный соперник, которого не могли принять во внимание самые изощренные знатоки спорта.
Ну, а мы, рассматривая претендентов на звание крылатого металла, не проглядели возможного победителя в этом соревновании? Какие еще металлы могут претендовать на это место?
Они все сосредоточены в левой части периодической системы элементов.
К литию снизу примыкает клетка, в которой прописан щелочной металл натрий. Он был впервые получен электролизом английским химиком Г. Дэви в 1807 году.
Натрия очень много в земной коре – около 2,64 процента по весу. Огромные количества его растворены в морской воде. Обыкновенная поваренная соль – это соединение натрия и хлора. Значит, это не редкий металл и в случае нужды можно организовать его добычу в любых практически мыслимых масштабах.
Натрий – очень мягкий и легкоплавкий металл. Его можно резать ножом, как сыр, а на крышке кипящего чайника он уже плавится – для этого надо температуру в 98 градусов. При 883 градусах он кипит – над ним вздымаются пурпурно-красные облака пара.
Это уже очень неподходящие свойства для крылатого металла. Ведь он должен уметь выдерживать и значительные напряжения, причем не только статические, а внезапные удары и жестокую вибрацию. И, конечно, он должен быть более стойким к температурным воздействиям. Нельзя, чтобы металл самолета плавился от случайно упавшего на него окурка!
Удельный вес натрия очень невысок – всего 0,97 г на куб. см. Натрий плавает в воде. Это очень важное для крылатого металла свойство.
Может быть, возьмут хоть пассажиром?
Натрий чрезвычайно химически активный элемент. На воздухе он стремительно окисляется, поэтому его хранят только под слоем керосина. Он энергично взаимодействует и с водой. Непосредственно соединяется с серой, йодом, хлором…
Нет, трудно ожидать от этого металла, который только и думает, кажется, о том, как бы ему соединиться с каким-нибудь другим элементом, что из него будут строить крылья будущих ионолетов.
Хотя все бывает! Может быть, завтра найдут легирующую добавку, которая придаст натрию и жаропрочность и химическую стойкость. Может быть, новый вид термообработки позволит улучшить его конструкционные свойства. А пока он работает в меру своих возможностей.
Натрия добывают на земном шаре в год около 50 тысяч тонн. Этот металл идет в металлургию – как энергичный восстановитель для производства таких, например, металлов, как цирконий. Использует его и химическая промышленность. В частности, он участвует в производстве синтетического каучука. Значительное количество натрия перерабатывается и на его соединения – цианистый натрий, перекись натрия и т. д.
Следующий возможный претендент в крылатые металлы – калий.
Этого металла также очень много в природе. Земная кора содержит по весу 2,6 процента калия. Он входит в состав многих горных пород, растворен в морской воде, содержится в живых организмах. Гигантские водоросли макроцистис содержат калий в огромных количествах – до 3 процентов.
«Основой жизни растений» назван калий академиком А. Е. Ферсманом.
Отсюда одно из важнейших применений калия – для производства удобрений. Калий – металл плодородия. Наша страна обладает грандиознейшими залежами калийных солей. Их открыл в начале нашего века Н. С. Курнаков. И ныне 90 процентов всех добываемых солей калия используется в качестве удобрения.
Но металл плодородия вряд ли обретет крылья.
Его свойства впервые описал получивший этот металл в чистом виде в 1807 году Г. Дэви. Калий очень мягок – еще мягче натрия. Его удельный вес крайне привлекателен – 0,86 г на куб. см, он легче натрия. Но и плавится он при еще более низкой температуре – 62 градусах и кипит всего при 760 градусах. Калий кажется по всем свойствам двойником натрия. Не зря до середины XVIII века путали их соединения. Но вот пары калия резко отличаются от паров натрия: они не пурпурнокрасные, а синевато-зеленые.
Химическая активность калия еще выше, чем у натрия. Он окисляется прямо во влажном воздухе, жадно поглощая из него влагу. Бурно реагирует с водой, выделяя водород. Киньте крупинку калия в тарелку с водой – и она начинает бегать, шипя, по ее поверхности. Миг, и над ней загорится яркий огонек – это вспыхивает выделяемый из разлагающейся воды водород. Калий соединяется буквально со всеми неметаллами.
Трудно ожидать от этого, еще более, чем натрий, неподходящего металла, что он обретет когда-нибудь крылья.
Мы говорили об основном применении соединений калия – для производства химических удобрений. Используют и его сплав с натрием, жидкий при обычных температурах, в различных термометрах. Вероятно, найдет себе применение радиоактивный изотоп кальция, которому геохимики приписывают очень значительное влияние на общую историю нашей планеты.
Спустимся еще на одну клетку-ступеньку в периодической таблице. В этой клетке, расположенной непосредственно под калием, мы найдем рубидий.
Этот металл открыли в 1861 году немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, открыли новым методом – спектральным анализом. Имя ему было дано за яркие темно-красные линии в спектре, благодаря которым его и обнаружили исследователи.
Рубидия значительно меньше в земной коре, чем натрия и калия, – всего 0,03 процента по весу. Но это еще не причина для того, чтобы отказаться от этого металла. Многих широко распространенных в технике металлов еще меньше содержится в земной коре, чем рубидия.
Впрочем, скажем сразу: и этот металл не может претендовать на право обрести крылья. Он тяжелее и натрия и калия, его удельный вес– 1,5 г на куб. см. Но он мягче и натрия и калия и плавится при еще более низкой температуре – всего в 39 градусов.
Совершенно уникальна химическая активность этого металла. Уже при простом соприкосновении с воздухом он вспыхивает и сгорает до конца. Воду разлагает столь энергично, что, кажется, он взрывается, как порох. Даже при охлаждении до 108 градусов он вытесняет водород из льда. Уже при 300 градусах пары рубидия разрушают стекло, вытесняя кремний… Кажется, нет неметалла, с которым он тут же не вступал бы в энергичную реакцию. Получают рубидий в вакууме, хранят под слоем керосина.
Практических применений этот чрезвычайно энергичный металл почти не имеет.
Что ж, посмотрим еще один металл из этой же первой группы периодической системы. Это цезий, он расположен под рубидием.
Цезий был открыт в 1860 году теми же немецкими учеными, что и рубидий, – Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном. Обнаружили они его тоже методом спектрального анализа и имя дали по цвету его характерной в спектре голубой линии. Слово «цезий» и означает «голубой».
Цезий – самый тяжелый из рассмотренных нами щелочных металлов, его удельный вес равен 1,9 г на куб. см. Он и самый легкоплавкий из них и вообще самый легкоплавкий после ртути металл на Земле. Его можно растопить теплом ладони – уже при 28 градусах он становится жидким.
Но не приведи вас положить крупинку цезия на голую ладонь! Ведь в воздухе он мгновенно воспламеняется. Впрочем, воспламеняется он и в атмосфере хлора или при соприкосновении с фтором. С серой и фосфором он соединяется со взрывом. Вряд ли стоит вспоминать, что и с водой он реагирует не менее энергично. При 300 градусах он разрушает и стекло, и кварц, вытесняя кремний.
Люди научились использовать высокую химическую активность цезия. Крохотную крупинку его помещают в вакуумную электрическую лампочку. И уже можно не сомневаться, что вакуум в ней не будет выше необходимого. Весь воздух, который не удастся откачать насосом, будет поглощен крупинкой этого металла. А чтобы придать ему устойчивость, его сплавляют с кальцием и барием.
Цезий находит и другое чрезвычайно важное и своеобразное применение в промышленности.
…26 февраля 1888 года знаменитый русский физик А. Г. Столетов в лаборатории Московского университета произвел такой интереснейший опыт.
К отрицательному полюсу гальванической батареи он присоединил цинковый диск, к положительному – металлическую сетку, поставленную напротив диска. Получилась разомкнутая электрическая цепь. Ток по этой цепи не шел: стрелка включенного в цепь гальванометра неподвижно стояла на нуле.
Но вот Столетов направил на цинковую пластинку сильный луч света, и тотчас же сдвинулась с нуля стрелка гальванометра – по цепи пошел ток. Ученый усилил свет – стрелка отошла еще дальше, ток в цепи сразу же возрос. Он выключил свет, и стрелка гальванометра бессильно упала на нуль – ток в цепи пропал. Казалось, это луч света замыкал разомкнутое пространство цепи.
Так было открыто новое явление природы – фотоэффект. А созданный Столетовым прибор можно по праву назвать первым в мире фотоэлементом.
В чем сущность фотоэффекта?
Носителем элементарного электрического заряда является электрон. Под действием света из некоторых химических элементов вылетают электроны. Упорядочив движение этих вырванных светом электронов, создав поток электронов, мы получим электрический ток.
Одним из элементов, способных выбрасывать электроны под действием света, является цинк. В фотоэффекте Столетова выбитые светом из цинковой пластинки электроны под действием притяжения положительно заряженной сетки устремились к ней. В цепи возникал электрический ток.
Среди металлов он слывет мастером электронного гольфа.
Но далеко не все металлы обладают свойством выбрасывать под действием света электроны. И, скажем прямо, цинк обладает в этом смысле отнюдь не лучшими показателями. Особую атомную структуру должен иметь металл, чтобы легко расставаться со своими электронами.
Именно такой структурой и обладают щелочные металлы. Они имеют один электрон, находящийся далеко от ядра, на внешней электронной оболочке. Особенно далеко он расположен в атоме цезия. Поэтому цезий, легко расстающийся со своим электроном, и является лучшим металлом для фотоэлементов.
Однако применить для этой цели цезий нелегко: ведь он плавится уже при комнатной температуре. Поэтому цезий наносят на окисел серебра. Делают фотоэлементы и из сплавов сурьмы с цезием.
Фотоэлементы властно вторглись во многие отрасли современной техники. Их внимательные электрические глаза читают запись на звуковой дорожке звукового кинофильма, помогают передавать по проводам фототелеграммы, не пропустив ни одного знака в чертеже, который срочно нужен в другом городе, не изменив ни одного штриха в вашей подписи. Фотоэлементы позволяют передать движущиеся изображения из студии телевидения на сотни тысяч экранов телевизоров. Фотоэлементы работают во всех автоматических устройствах, в которых необходимо следить за изменением цвета или света, за прозрачностью раствора или яркостью свечения расплавленного металла. Они наблюдают за положением изделия и считают детали, сходящие с конвейера.
И почти во всех из этих устройств – а их становится все больше и больше – работают легко отдающие свой внешний электрон атомы цезия. Вот какое важное дело нашел себе этот металл! Он работает на основном направлении технического развития нашего народного хозяйства– в автоматизации производства.
А крылатого металла из него, видимо, не получится. Он не соперник алюминия, магния, бериллия, а их попутчик. Но в космический полет он отправится в автоматических приборах звездолета, а не в его обшивке и двигателе.
