Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 29 (всего у книги 30 страниц)
XI. У НИХ ВСЁ ВПЕРЕДИ
Ста лет не прошло со дня создания периодической системы элементов Д. И. Менделеевым. Совсем недавно заполнены ее последние клетки – искусственно создали люди те элементы, которых не смогла сохранить до наших дней природа. А уже подавляющее большинство этих элементов понадобилось сегодня человеку.
Чем глубже человек проникает в сокровенные тайны природы, чем лучше узнает свойства элементов, тем больше из них приглашает к себе на службу.
И нередко случается, что тот или иной элемент, в течение длительного времени считавшийся ни на что не пригодным, вдруг оказывается обладателем удивительных свойств, возникает огромная потребность в нем.
И тогда металлурги находят возможность удовлетворить эту потребность.
Так было о алюминием, считавшимся драгоценным еще в конце прошлого века. На него предъявила спрос авиация – и его производство в мире сегодня превосходит 3 млн. тонн.
Так было с вольфрамом – металлом сверхтвердых сплавов, электрических лампочек, качественных сталей.
Так было с цезием – металлом фотоэлементов.
Совсем недавно то же произошло, или, точнее, происходит, с титаном и германием.
Ну, а какой из еще не используемых металлов окажется завтра в центре внимания физиков, химиков, инженеров?
На это невозможно ответить. О металлах, не применяемых сегодня или мало применяемых, правильнее всего с убежденностью сказать: у них все впереди.
Познакомимся же с этими металлами, разбросанными по разным уголкам периодической системы элементов.
Клубок загадок
Есть в периодической системе элементов клетка, в которой проживает не один, а целых пятнадцать элементов. Их называют редкими землями. Они похожи друг на Друга, как братья-близнецы. Но ведь и близнецы обладают индивидуальными чертами и свойствами характера. Обладают ими и редкие земли. Но, к сожалению, о них очень мало еще знают физики и химики.
Редкие земли вовсе не так уж редки. Некоторые из этих пятнадцати элементов встречаются чаще кобальта, цинка, свинца – металлов, чрезвычайно широко применяющихся в технике. Запасы церия в земной коре превышают запасы кадмия, сурьмы, молибдена, золота; 0,017 процента по весу земной коры составляют редкие земли. Это совсем не так уж мало.
Не так уж мало и минералов, содержащих редкие земли. Они встречаются и в обеих Америках, и в Скандинавии, и в Финляндии, у нас на Кольском полуострове, на Урале и в других местах.
В чем дело? Почему так плохо изучены эти элементы?
Потому, что они перепутаны друг с другом в соединениях в один клубок, распутать который чрезвычайно трудно. Ведь элементы этой группы имеют одинаковые внешние электронные оболочки, которыми определяются химические свойства элемента. Отличаются они друг от друга строением ядер и внутренних электронных оболочек. Даже для того, чтобы просто разобрать этот клубок тайн, выяснить, какие входят в него элементы, понадобилось более ста пятидесяти лет усилий нескольких поколений химиков. А некоторые из этих элементов и сегодня ни один химик не держал на ладони – они еще не получены в чистом виде.
В 1794 году финский химик Ю. Гадолин впервые выделил химическое соединение, которое назвал иттриевой землей. Землей в те времена называли невосстанавливаемые существующими методами окислы металлов. Гадолин считал, что он и нашел окисел нового металла – иттрия.
Иттрий не является жителем клетки, в которой обитают наши пятнадцать элементов. Он живет на один этаж выше, над этой клеткой-общежитием. Но по химическим свойствам он схож с редкими землями, и в течение долгого времени его включали в их число.
В тесноте, да не в обиде.
Металлический иттрий получил в 1828 году немецкий химик Ф. Вёлер. Это был далеко не чистый металл. В нем в большом количестве содержались родственные металлы с нижнего этажа. Да и сегодня чистый иттрий по существу не получен. Даже удельного веса его как следует определить не удалось. Об остальных его свойствах и говорить нечего.
С иттрия и началась эпопея открытия редких земель. В 1843 году из иттриевой земли выделили две новые земли – эрбиеву и тербиеву. Еще через тридцать пять лет из эрбиевой земли выделили иттербиеву землю. Иттербиеву землю также удалось разложить, отделив скандиеву землю. А из эрбиевой земли еще позже выделили тулиеву землю.
Надо ли говорить, что все эти земли оказались окислами металлов из таинственного клубка все той же клетки-общежития периодической системы? Впоследствии из них получили металлы эрбий, тербий, иттербий, тулий. Скандий оказался жителем отдельной клетки, расположенной, так сказать, на два этажа выше клетки-общежития, непосредственно над клеткой иттрия.
Скандий, открытый в 1879 году шведским химиком Л. Нильсоном и названный им в честь своего полуострова, близок по свойствам редким землям. Он относится к числу очень рассеянных элементов, в чистом виде его удалось видеть очень немногим химикам. Удельный вес этого металла – около 3,1 г на куб. см, температура плавления – около 1300 градусов, кипения – 2400 градусов. Химически он менее активен, чем иттрий и редкие земли.
Может быть, этот металл и найдет еще себе широкое применение, если только его крайняя рассеянность не будет тормозить изучение его свойств и возможностей.
В иттриевой земле оказалось целых шесть элементов, причем два из них даже не из числа жителей клетки-общежития. Но потянув за «иттриевый кончик», только начали распутывать клубок тайн. Одновременно его распутывали и с другой стороны, тянули за другой «кончик» – цериевую землю.
Ее получил в 1803 году шведский химик Берцелиус. Оказалось, что и она – смесь целого ряда земель. Из них в конце концов выделили металлы церий, лантан, празеодим, неодим и самарий.
Так распутывался клубок тайн. Последний, пятнадцатый элемент в природе обнаружить не удалось. Его получили в 1947 году искусственно, методами современной «ядерной алхимии».
Название «редкие земли» имеет сейчас чисто историческое значение, звучит как напоминание о тяжелой истории разделения этих элементов. Химики предложили для них другое имя – «лантаноиды», по имени лантана, первого в ряду элементов, населяющих клетку.
Лантаноиды имеют целый ряд общих химических свойств. Все они – металлы, быстро окисляющиеся на воздухе, медленно разлагающие воду при комнатной температуре и очень энергично при нагревании. Легко вступают в реакции и с большинством неметаллов.
Значительно разнообразнее физические свойства лантаноидов. Празеодим имеет, например, желтый цвет, он похож на медь; диспрозий больше всего напоминает серебро, а церий – свинец. Они резко отличаются, в частности, и по температуре плавления. Иттербий – тугоплавкий металл; чтобы его расплавить, нужна температура в 1780 градусов. А тербий плавится уже при 310 градусах. Самарий – один из самых твердых металлов, он соперничает в этом с закаленной сталью. А лантан и церий можно резать ножом.
Скажем сразу: далеко не все тайны этого клубка металлов разгадали сегодня ученые. И как раз здесь может скрываться еще много неоткрытого. Такого, что может вызвать переворот в целой отрасли техники или промышленности.
Редкоземельные металлы уже и сейчас находят широкие применения. Из церия (конечно, не чистого церия, а сплава его с целой кучей сожителей по клетке периодической системы, так называемого мишметалла) делают камни для зажигалок. Стоит слегка ударить по этому сплаву или про-вести им по неровной поверхности, как возникнет целый фейерверк искр. Это горят отколовшиеся крупинки церия: ведь он вспыхивает при температуре в 165 градусов и горит ярким, ослепительным цветом.
Церий – один из самых изученных лантаноидов. Открывший его в 1803 году шведский химик И. Берцелиус дал ему имя в честь недавно открытой планеты Цереры. Эта древняя традиция давать названия металлам по имени небесных тел, мы знаем, была продолжена даже в наши дни.
Плотность церия – 6,8 г на куб. см, температура плавления – около 793 градусов, кипения – около 2690 градусов.
Ну, а чем замечателен лантан – элемент, давший название целой плеяде металлов?
Лантановую землю впервые выделил в 1839 году шведский химик К. Мосандер. Имя новому металлу он дал от греческого слова «скрываюсь»– «скрывающийся». Однако никаких особых свойств этот элемент, как позже оказалось, не таит в себе. Его удельный вес – 6,1 г на куб. см, температура плавления – 820–850 градусов. А может быть, просто не открыли этих особых свойств в лантане и он до сего дня честно оправдывает свое имя?..
Двойником лантана является другой редкоземельный элемент – празеодим. Имя это в переводе с греческого означает «бледно-зеленый двойник» – так его назвал австрийский химик К. Вельсбах, впервые отделивший его соли. Он же впервые отделил соли еще одного двойника лантана – металла неодима, что в переводе означает «новый двойник».
Название «самарий» – а это имя еще одного члена семейства лантаноидов– как будто бы свидетельствует о том, что он впервые получен русским ученым. Но это не так. Впервые открыл его в 1879 году француз Л. Буабодран и назвал его по имени минерала самарскита, в котором его обнаружил. Но и минерал этот назван не по имени города Самары, а в честь русского горного деятеля В. Е. Самарского. Таково путешествие имени в периодическую систему элементов.
Сам самарий ничем из других лантаноидов не выделяется. Только некоторые соединения его обладают способностью ярко флоуресцировать желто-оранжевым светом. Это их свойство широко используется в фосфоресцирующих смесях.
Такое же применение имеют соли и самого редкого из редкоземельных элементов (не считая прометия, которого вообще нет в природе и который был изготовлен искусственным путем) – европия. Происхождение этого названия, данного в 1901 году французом Э. Демарсе, не вызывает сомнений.
А вот название «гадолиний» дано в честь финского химика Ю. Га-долина швейцарским химиком Ж. Мариньяком, открывшим этот металл в 1880 году. Некоторые соли этого металла сыграли серьезную роль в приближении человека к абсолютному нулю. Дело в том, что, размагничиваясь, эти соединения охлаждаются. В намагниченном виде их охлаждают до предельно возможных температур, а затем размагничивают. Происходит дальнейшее, еще более глубокое охлаждение.
О тербии, двойнике гадолиния, практически ничего не известно, кроме того, что его соли окрашивают соли гадолиния в желтый цвет.
А может быть…
Окислы тербия окрашивают в желтый цвет и окислы другого лантаноида– диспрозия, что в переводе означает «труднодоступный». Это очень интересный металл, также практически почти не изученный. А ведь его соединения являются самыми парамагнитными из всех веществ. Окись этого металла в 15 раз парамагнитнее окиси железа. Впрочем, в парамагнитности лавры первенства с соединениями диспрозия делят соединения другого лантаноида – гольмия, открытого в 1879 году шведом П. Клеве и названного им в честь Стокгольма. Больше и об этом металле, кажется, ничего не известно.
Крылья этой космической электростанции – полупроводниковые германиевые пластинки.
Земляк тербия – эрбий (они были открыты в одном и том же минерале) отличается тем, что его окислы и соли окрашены в красивый ярко-розовый цвет. Раскаленная окись эрбия светится ярким зеленым цветом. Вот и весь комплекс известных особенностей эрбия, отнюдь не в ничтожных, скорее в значительных количествах встречающегося в иттриевых землях.
Придумывая название для открытого им нового элемента, шведский химик П. Клеве проявил редкую в таких случаях оригинальность пристрастий. Он назвал его в честь Туле – легендарной страны, которая, как считали древние греки, находится на крайнем севере земли. Металл получил название «тулий».
Тулий давно ждет применения. По своим свойствам он может служить отличным материалом для изготовления генераторов медицинских рентгеновских аппаратов. Можно приготовлять из него и отличные люминофоры. Но все пока упирается в трудность получения этого металла в чистом виде.
Впрочем, если уж говорить о названиях, то больше всего повезло в этом смысле небольшому селению Иттербю. Находится оно в Швеции, на острове Руслаген. В одной из каменоломен близ этого селения и был найден знаменитый минерал гадолиний, из которого выделили четыре минерала, получившие название в честь этой шведской деревушки – эрбий, тербий, иттрий и иттербий. О первых трех мы уже говорили. О четвертом трудно сказать что-нибудь кроме того, что свойства его изучены еще далеко не в полной мере.
Лютеций – последний элемент семейства лантаноидов. Впервые его в 1907 году выделил французский химик Т. Урбен, запечатлевший в названии этого металла латинское наименование Парижа. Металлический лютеций не получен до сих пор.
Нет, еще далеко не распутан клубок тайн, скрытых в переплетении этих пятнадцати металлов! Сколько интересных и важных вопросов ждут разрешения!
Металлурги заметили, что добавки редкоземельных металлов – их пестрого сплава – сообщают магниевым и алюминиевым сплавам важнейшие свойства. Какой из добавляемых металлов обладает сильнейшими легирующими свойствами? Может быть завтра один или несколько металлов из семейства редких земель станут такими же важными витаминами крылатых металлов, как вольфрам, хром и никель сегодня важны для получения качественной стали.
Церий – его тоже добавляли в виде пестрого сплава – улучшает свойства сплавов никеля и хрома. Может быть, в редких землях скрываются витамины витаминов?
Добавка 8 процентов церия к алюминиево-медному сплаву делает его кислотоупорным и стойким в воде. А каким будет этот сплав, если в него добавить 8 процентов эрбия или 8 процентов лютеция, ни одной крупинки которого еще не получено в чистом виде?
Клубок тайн еще ждет своих исследователей. Причем не одного, а многих. Одному тут явно не справиться.
Между титаном и вольфрамом
В квадрате, по сторонам которого лежат эти два металла, размещаются четыре металла – цирконий, гафний, тантал и ниобий. Различны их качества, история, вероятно, и будущее. Но есть одно, что их объединяет: их уже начинают использовать, причем перспективы этого использования весьма велики.
Самым легким из этих металлов является цирконий – ближайший сосед блистательного титана. Он был открыт в 1789 году немецким ученым М. Клапротом. Имя свое получил тогда же по минералу циркону. В значительных количествах содержится в земной коре – 0,02 процента по весу. Таким образом, его больше, чем меди, цинка, олова или свинца. Существуют и многочисленные минералы, содержащие цирконий. Но сто пятнадцать лет должно было пройти, чтобы химики смогли впервые выделить чистый металлический цирконий. Он был получен только в 1914 году.
Внешне цирконий похож на сталь, но многими своими качествами превосходит ее.
Удельный вес циркония – 6,25 г на куб. см, плавится он примерно при 1830 градусах, кипит – при 2900 градусах.
Чистый цирконий превосходит по прочности хорошую сталь. Вместе с тем он обладает значительной пластичностью, из него можно вытягивать проволоку.
Коррозионная устойчивость циркония выше, чем у титана, выше, чем у хромоникелевой нержавеющей стали. Он не боится ни разбавленной серной кислоты, ни азотной кислоты любой концентрации. Ему не страшны и водные растворы щелочей. Он растворяется только в концентрированной серной кислоте.
Не правда ли, неплохой подбор качеств для конструкционного материала? Меньший, чем у железа, вес, высокая прочность, отличная обрабатываемость, превосходная коррозионная устойчивость.
И к этому еще одно – удивительное и редкое: он почти не захватывает нейтронов.
Как говорят физики, он имеет малое эффективное поперечное сечение поглощения. Это очень подходящее свойство для материала многих деталей атомных реакторов и атомных электростанций.
Все это делает цирконий важнейшим металлом новой техники. И производство его, хотя и не так стремительно, как производство титана, но неуклонно растет.
В 1947 году в США была пущена опытная установка для получения 27 кг циркония в неделю. В 1952 году было произведено уже 122 тонны циркония. Большая половина была прокатана в листы и конструкционные профили. Конечно, весь этот металл пошел на изготовление атомных реакторов.
Нет, нейтроны здесь не задерживаются.
Между тем цирконий ждут не только на атомных электростанциях, ледоколах и подводных лодках. Цирконий – отличный витамин стали. По своему влиянию на нее он подобен ванадию, и так же безукоризненно выполняет он роль очистителя. Циркониевые стали пластичны, выдерживают высокие температуры. Многие броневые, нержавеющие и огнеупорные стали содержат цирконий.
Добавки циркония полезны и для алюминиевых сплавов. Они становятся более плотными, пластичными. Почти вдвое возрастает их прочность. Резко возрастает стойкость против коррозии, в частности от морской воды.
Очень полезны добавки циркония для меди. Они лишь в незначительной степени снижают ее электропроводность, в то время как повышают прочность ее – после соответствующей термообработки – в полтора раза.
В последние годы получили распространение легированные цирконием сплавы магния. И здесь цирконий повышает прочность сплава. Прочность сплава магния с 4–5 процентами цинка и 0,6–0,7 процента циркония вдвое выше, чем сплава магния с цинком, но без циркония.
Цирконий добавляют в свинцовистые бронзы и меднокадмиевые сплавы, в марганцовистую латунь и сплавы никеля.
Вот сколько отраслей металлургии жаждет применения циркония!
Но цирконий находит применение и сам по себе, а не только в сплаве. Мы уже упоминали атомную промышленность. Но этот металл состоит в крепкой дружбе с другой развивающейся новой отраслью промышленности – электровакуумной.
Среди свойств циркония есть и жадное стремление поглощать газы. Это свойство используется для поддержания вакуума в вакуумных электро– и радиолампах.
Циркония ждут не только металлурги, но и конструкторы. Из него предполагается делать детали центрифуг, насосов, конденсаторов для различных химических производств, поршни, шатуны, тяги и другие детали двигателей внутреннего сгорания, лопасти паровых и газовых турбин, детали реактивных двигателей и т. д.
Еще большее применение, чем то, которое ждет цирконий, имеют уже сейчас окислы циркония. Они крайне тугоплавки – плавятся только при 2700–2900 градусах, поэтому из них готовят разнообразные огнеупоры.
Гафний – родной брат циркония. Он всегда содержится в тех же рудах, что и цирконий. И хотя гафний значительно более тугоплавкий металл – он плавится только при 2230 градусах и удельный вес его – 11,4, почти вдвое больше, чем у циркония, – долгое время гафния даже не замечали. Только в 1923 году венгр Г. Хевеши и голландец Д. Костер в Копенгагене открыли этот металл рентгеноскопическим анализом. Имя металлу они дали по латинскому названию Копенгагена.
Впрочем, существование гафния предсказал еще в 1870 году Д. И. Менделеев. А знаменитый датский физик Н. Бор описал свойства гафния еще до того, как он был обнаружен.
Было время, металлурги искали пути, как выделить чистый гафний. При этом их не очень волновало, оставался ли гафний в цирконии и вообще насколько чистым оставался этот элемент. Ныне задача резко изменилась. Атомной технике нужен абсолютно чистый цирконий. И особенно недопустимо в нем присутствие гафния, обладающего огромной способностью поглощать нейтроны – чуть ли не в тысячу раз большей, чем цирконий. И теперь перед металлургами – стоит обратная задача: выделить как можно более чистый цирконий, если можно – вообще без примесей гафния.
Сам гафний применений практически не имеет. Пытаются его использовать в нитях накала электролампочек и в катодах рентгеновских трубок, но для этих целей есть и более подходящие металлы.
Завоевать себе право на использование гафнию еще только предстоит.
Сосед гафния справа по периодической системе элементов – металл тантал.
Тантал – один из героев древнегреческих мифов. Легенды повествуют, что он однажды жестоко рассердил богов, и те обрекли его ужасной казни. По горло в прозрачной, как хрусталь, холодной воде стоит мочимый жаждой Тантал. Так близка вода, но стоит ему приблизить к ней жаждущие уста, как она бежит от них. Ни одна капля не попадает в раскаленный рот преступника.
Когда в 1802 году шведский ученый А. Экеберг обнаружил, что окислы нового открытого им металла не растворяются в кислотах, он назвал его танталом.
А уж здесь им не пройти.
Как выяснилось позже, ученый получил не чистый тантал, а его смесь с ниобием. Чистый тантал был получен лишь через сто лет– в 1903 году.
Тантал внешне напоминает платину. На воздухе он покрывается сероватой, очень прочной пленкой окислов, препятствующих дальнейшей коррозии. При нагревании до 400 градусов эта пленка приобретает красивый небесно-голубой цвет, сохраняющийся и после охлаждения.
Тантал – тяжелый металл. Его удельный вес—16,6 г на куб. ом. Он очень тугоплавкий – плавится лишь при 2850–3000 градусах. Более высокую температуру плавления имеют только вольфрам и рений. Кипит тантал при 5300 градусах. Температура на поверхности Солнца выше всего на 700 градусов.
Тантал – прочный металл. Предел прочности танталовой проволочки – 92 кг на кв. мм. Далеко не всякая сталь может похвастаться такой прочностью!
По химической стойкости тантал уступает лишь благородным металлам, да и то не во всех случаях.
Металл с такими высокими качествами, конечно, не мог не найти себе применения.
Действительно, его начали применять в том же 1903 году, когда впервые получили в чистом виде. Он был первым металлом, из которого изготавливались нити для электрических лампочек. Впоследствии, правда, его заменил в этом более дешевый и тугоплавкий вольфрам. Однако и доныне он широко применяется в электровакуумной промышленности.
Тантал – износостойкий металл. Он соперник иридия в наплавке на кончики перьев автоматических ручек.
Тантал – желанный гость и в химической промышленности. В частности, он обычный материал для изготовления конденсаторов, работающих в производстве соляной кислоты.
Из него делают и фильеры (вместо платиновых) для протягивания нитей искусственного шелка.
Хирургов давно мучило чувство жестокой беспомощности, когда оказывался перебитым крупный кровеносный сосуд. Они научились, наложив лубок, сращивать кости, сшивать разорванные вены, восстанавливать поврежденные нервы. И только соединить разорванные кровеносные артериальные сосуды они не умели.
Это пытались делать великие хирурги, вроде Пирогова.
Благородна миссия тантала!
Провозившись несколько часов, проявив ювелирное мастерство, они сшивали тоненькие упругие трубочки, но очень часто их старание не приводило к добру: в месте соединения образовывался тромб свернувшейся крови.
Сосуд переставал выполнять свою основную обязанность. Результаты высочайшего умения хирурга оказывались равными нулю.
Это было всего двадцать лет назад. Теперь на вооружении советских хирургов есть дивный аппарат для сшивания сосудов. Изобрел его молодой инженер В. Гудов.
Этот аппарат – небольшая машина, состоящая из нескольких десятков никелированных деталей.
Концы сшиваемого сосуда зажимаются в двух половинках этого аппарата, затем половинки соединяют, нажим кнопки – и специальные скрепочки, подобные тем, что сшивают тетради, накрепко соединяют кровеносный сосуд.
Скрепки эти делаются из тантала.
Удивительный металл не вызывает никакого раздражения тканей, не отравляет организма. Он постепенно рассасывается организмом без следа. Уже через несколько дней самое тщательное просвечивание рентгеном не дает возможности обнаружить скрепки. Их уже не существует, их заменила живая ткань.
Из тантала делают планки для сращивания сломанных костей, танталовыми пластинками укрепляют поврежденный череп. Тканью из танталовых нитей соединяют разорванные мускулы.
Такое совершенно своеобразное применение в технике ремонта живых организмов нашел ныне тантал.
А юную Ниобею надо еще долго воспитывать.
Ниобий – постоянный спутник тантала. Их долго путали.
Соединения ниобия впервые выделил из соединений тантала немецкий химик Г. Розе. Он и дал этому дочернему элементу имя мифической дочери Тантала – Ниобеи. Чистый ниобий был получен впервые только в 1907 году.
Ниобий – тугоплавкий металл. Он плавится при 2415 градусах, кипит при 3300 градусах. Удельный вес его невелик – 8,6 г на куб. см. Прочность примерно соответствует прочности углеродистой стали. Он обладает средней химической активностью.
Ниобий в настоящее время служит в качестве легирующего элемента сталей. Его вводят в количестве 0,5–0,8 процента в хромоникелевые стали. Кроме того, в сплаве с танталом он используется в электровакуумной промышленности.
Бесспорно стремительное внедрение в промышленность циркония и тантала.
Бесспорно, будут находить новые применения гафний и ниобий.
Все четыре металла, находящиеся между такими верными друзьями человека, как вольфрам и титан, не могут быть бесполезными лодырями и тунеядцами.
