Текст книги "О редких и рассеянных. Рассказы о металлах"
Автор книги: Сергей Венецкий
сообщить о нарушении
Текущая страница: 6 (всего у книги 14 страниц)
ТЕЗКА СТРАНЫ ЧУДЕС (ИНДИЙ)
Наполеон готов раскошелиться. – Фортуна поворачивается лицом. – Сколько стоит карандаш? – Приятные хлопоты. – Скрытое становится явным. – Редкая рассеянность. – Находка в Аризоне. – Зеркала обманывают модниц. – В Туманном Альбионе. – Пожарники могут спать. – Физики в недоумении. – В подводном царстве. – Подшипники нужно беречь. – Кое-что о зубных пломбах. – «Одеяло» из индия. – Зеленое золото. – Нейтроны любят счет. – Примесь без примесей. Чудо-кристалл. – Крепкие объятия. – При чем здесь футбольный мяч? – Желанный гость.
С давних пор в Европе высоко ценилась привозимая из страны чудес Индии ярко-синяя краска «индиго». По чистоте цвета она могла соперничать с синими лучами солнечного спектра. Владельцы текстильных предприятий не скупились на расходы, чтобы приобрести эту королеву красок, применявшуюся для крашения сукна и других тканей. Когда в конце XVIII века Франция оказалась отрезанной английским военным флотом от Индии и других южных стран, многие заморские товары, в том числе и знаменитая краска «индиго», стали весьма дефицитными. Наполеон, желавший сохранить для своей армии традиционные темно-синие мундиры, пообещал колоссальную премию – миллион франков! – тому, кто найдет способ получения чудесной краски из европейского сырья.
Мы не случайно начали рассказ об одном из редких металлов-индии-с упоминания о краске «индиго»: ведь именно ей элемент № 49 обязан своим названием.
В 1863 году в химической лаборатории маленького немецкого городка Фрейберга профессор Фердинанд Рейх и его ассистент Теодор Рихтер занимались спектроскопическим исследованием цинковых минералов Саксонских гор, надеясь обнаружить в них открытый за два года до этого элемент таллий. Ученые подвергали анализу образец за образцом, однако, как ни вглядывались они в возникающие перед ними спектры, сочных зеленых линий, присущих таллию, не было и в помине. Но, видимо, в тот погожий день фортуне очень уж не хотелось поворачиваться спиной к фрейбергским химикам. Почему бы не вознаградить их за долготерпенье и кропотливый труд? И вот в очередном спектре перед взором ученых предстала необыкновенно яркая синяя линия, не принадлежавшая ни одному из известных элементов. Рейху и Рихтеру стало ясно, что им посчастливилось открыть новый элемент. А за сходство его спектральной линии с королевой красок «новорожденного» решено было назвать индием.
Теперь перед учеными встала проблема: выделить металл в чистом виде. Немало потратили они времени и труда, прежде чем сумели получить два образца металлического индия, каждый величиной с карандаш. Кстати, сходство с карандашом было не только внешним: индий оказался удивительно мягким металлом – почти в пять раз мягче свинца и в 20 раз мягче чистого золота. Из десяти минералов, составляющих шкалу твердости по Моосу, девять тверже индия; ему уступает лишь самый податливый из них – тальк. На бумаге индий оставляет заметный след. Однако писать индиевыми «карандашами» было бы таким же безрассудным расточительством, как топить печку ассигнациями: французская Академия наук оценила образцы нового металла в 80 тысяч долларов-по 700 долларов за грамм!
Появляясь на свет, индий, разумеется, не подозревал, что доставит немало хлопот великому русскому химику Д. И. Менделееву. Впрочем, виноват в этом был не столько индий, сколько его первооткрыватели: они приняли новый металл за близкого родственника цинка и поэтому ошибочно решили, что он, как и цинк, двухвалентен. Кроме того, ученые неправильно определили его атомный вес, посчитав его равным 75,6. Но в этом случае для индия не находилось места в периодической таблице, и Менделеев пришел к выводу, что индий трехвалентен, по свойствам он гораздо ближе к алюминию, чем к цинку, а атомный вес его составляет примерно 114. Это был далеко не единственный случай, когда великий химик на основе обнаруженного им закона вносил существенные коррективы в характеристики уже известных элементов. И на этот раз жизнь подтвердила его правоту: атомный вес индия, определенный с помощью самых точных методов, оказался равным 114,82. Элементу было отведено место № 49 в третьем ряду периодической системы.
Природный индий состоит из двух изотопов с массовыми числами 113 и 115, причем доля более тяжелого из них значительно солиднее-95,7 %. До середины XX века оба эти изотопа имели репутацию стабильных. Однако в 1951 году ученые установили, что индий-115 все же подвержен бета-распаду и постепенно превращается в олово-115. Правда, процесс этот протекает крайне медленно: период полураспада ядер индия-115 очень велик– 6 * 1014 лет. Вполне понятно, что при таких «темпах» индию долго удавалось скрывать свою радиоактивность. В последние десятилетия физики получили около 20 радиоактивных изотопов индия; период полураспада наиболее долгоживущего из них (индия-114)-49 дней.
Подобно многим другим металлам, индий долгое время не находил практического применения. И на это были вполне уважительные причины: ведь индий не только довольно редкий элемент (по содержанию в земной коре он среди «обитателей» периодической системы занимает скромное место в седьмом десятке), но и крайне рассеянный: в природе практически нет минералов, в которых главным компонентом (или хотя бы одним из основных) был бы индий. В лучшем случае его можно встретить в виде ничтожных примесей к рудам других металлов, где содержание его не превышает обычно 0,05 %. Можно себе представить, какие трудности надо преодолеть, чтобы извлечь из этих руд спрятавшиеся в них крохи индия.
Однако свойства этого металла не могли оставлять равнодушными представителей технического мира. В 1924 году индием всерьез заинтересовался американский инженер Маррей. В поисках индиевых месторождений он вдоль и поперек исколесил Соединенные Штаты Америки, пока, наконец, в песчаных холмах Аризоны не обнаружил хоть и не ахти какие, но все же более высокие, чем в других местах, концентрации этого рассеянного элемента. Вскоре здесь возник завод по производству индия.
Одной из первых областей применения индия стало изготовление высококачественных зеркал, необходимых для астрономических приборов, прожекторов, рефлекторов и тому подобных устройств. Оказывается, обычное зеркало не одинаково отражает световые лучи различных цветов. Это значит, например, что цветная одежда, если ее рассматривать в зеркало, имеет несколько иную окраску, чем на самом деле.
Правда, глаз модницы, сидящей перед трельяжем, не в состоянии зафиксировать такие перемены в ее туалете, но для многих приборов цветовая фальсификация просто недопустима. И серебряные, и оловянные, и ртутно-висмутовые зерцала грешат этим недостатком. Индий же не только обладает чрезвычайно высокой отражательной способностью, но и проявляет при этом полнейшую объективность, совершенно одинаково относясь ко всем цветам радуги от красного до фиолетового. Вот почему, чтобы свет, излучаемый далекими звездами, доходил до астрономов неискаженным, в телескопах устанавливают индиевые зеркала.
В отличие от серебра, индий не тускнеет на воздухе, сохраняя высокий коэффициент отражения. Между прочим, индий сыграл немаловажную роль при… защите Лондона от массированных налетов немецкой авиации во время второй мировой войны. На первый взгляд, такое утверждение может показаться странным, но именно индиевые зеркала позволяли прожекторам противовоздушной обороны в поисках воздушных пиратов легко пробивать мощными лучами плотный туман, нередко окутывавший британские острова. Поскольку индий имеет низкую температуру плавления – всего 156 °C, во время работы прожектора зеркало постоянно нуждалось в охлаждении, однако английское военное ведомство охотно шло на дополнительные расходы, с удовлетворением подсчитывая число сбитых вражеских самолетов.
Но часто в технике низкая температура плавления может служить не недостатком, а достоинством. Так, сплав индия с висмутом, свинцом, оловом и кадмием плавится уже при 46,8 °C и благодаря этому успешно справляется с ролью автоматического контролера, предохраняющего ответственные узлы и детали различных механизмов от перегрева. Известен сплав индия с галлием и оловом, который даже при комнатной температуре находится в жидком состоянии: он плавится при 10,6 °C. Плавкие предохранители из индиевых сплавов широко используют в системах пожарной сигнализации.
Любопытные эксперименты, связанные с температурой плавления индия, были проведены в Канаде. Исследуя с помощью электронного микроскопа мельчайшие частицы этого металла, канадские физики обнаружили, что, когда размер частиц индия становится меньше некоторой величины, температура плавления его резко понижается. Так, частицы индия размером не более 30 ангстрем плавятся при температуре чуть выше 40 °C. Такой колоссальный скачок – от 156 до 40 °C представляет для ученых несомненный интерес. Но природа этого эффекта даже для видавшей виды современной физики пока остается загадкой: ведь теория процессов плавления разрабатывалась применительно к значительным массам вещества, а в опытах канадских физиков расплавлению подвергались «гомеопатические» дозы индия-всего несколько тысяч атомов.
Ценное свойство индия – его высокая стойкость к действию едких щелочей и морской воды. Эту способность приобретают и медные сплавы, в которые введено даже небольшое количество индия. Обшивка нижней части корабля, выполненная из такого сплава, легко переносит длительное пребывание в соленом подводном царстве.
Подшипникам, применяемым в современной технике, например в авиационных моторах, приходится трудиться в довольно тяжелых условиях: скорость вращения вала достигает нескольких тысяч оборотов в минуту, металл при этом нагревается и его сопротивление разъедающему действию смазочных масел снижается. Чтобы металл подшипников не подвергался эрозии, ученые предложили наносить на них тонкий слой индия. Его атомы не только плотно покрывают рабочую поверхность металла, но и проникают вглубь, образуя с ним прочный сплав. Такой металл смазке уже не по зубам: срок службы подшипников возрастает в пять раз.
Кстати, о зубах. Из индиевых сплавов (например, с серебром, оловом, медью и цинком), которым свойственны высокая прочность, коррозионная стойкость, долговечность, изготовляют зубные пломбы. В этих сплавах индий играет ответственную роль: он сводит к минимуму усадку металла при затвердевании пломбы.
Авиаторы хорошо знакомы с цинкоиндиевым сплавом, служащим антикоррозионным покрытием для стальных пропеллеров. Своеобразным тончайшим «одеялом» из олова и окиси индия «укутывают» ветровые стекла самолетов. Такое стекло не замерзает – на нем не появляются ледяные узоры, которые вряд ли радовали бы взор пилотов. Сплавы индия широко используют для склеивания стекол или стекла с металлом (например, в вакуумной технике).
Некоторые сплавы индия очень красивы – неудивительно, что они приглянулись ювелирам. Как декоративный металл используют, в частности, сплав 75 % золота, 20 % серебра и 5 % индия – так называемое зеленое золото. Известная американская фирма «Студебеккер» вместо хромирования наружных деталей автомобилей не без успеха применила индирование. Индиевое покрытие значительно долговечнее хромистого.
В атомных реакторах индиевая фольга служит контролером, измеряющим интенсивность потока тепловых нейтронов и их энергию: сталкиваясь с ядрами стабильных изотопов индия, нейтроны превращают их в радиоактивные; при этом возникает излучение электронов, по интенсивности и энергии которого судят о нейтронном потоке.
Но бесспорно важнейшая область применения индия в современной технике-промышленность полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и усилителей: он выступает при этом в роли примеси, обеспечивающей дырочную проводимость в германии. Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота– «шесть девяток», т. е. 99,9999 %! Некоторые соединения индия (сульфид, селенид, антимонид, фосфид) сами являются полупроводниками; их применяют для изготовления термоэлементов и других приборов. Антимонид индия, например, служит основой инфракрасных детекторов, способных «видеть» в темноте даже едва нагретые предметы.
Индий оказался одним из немногих пока химических элементов, «командированных» в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов. В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе «Союз» – «Аполлон», командиры экипажей А. Леонов и Т. Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите. В частности, они затронули вопрос о технологических опытах по плавке металлов и выращиванию кристаллов различных веществ. «Предстоит выяснить возможность использования невесомости и вакуума для получения новых материалов металлических и полупроводниковых, – сказал А. Леонов. – По мнению советских и американских ученых, в космосе можно сплавлять компоненты, не смешиваемые на Земле, создавать жаропрочные материалы…» «Наши астронавты. – добавил Т. Стаффорд, – на борту орбитальной станции „Скайлэб“ проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле». А в 1978–1980 годах на борту советской орбитальной научной станции «Салют-6» были проведены новые технологические эксперименты, в которых «участвовали» индий и его соединения.
Опыты с соединениями индия ведут и на Земле. Так, недавно антимонид индия был подвергнут давлению в 30 тысяч атмосфер. Оказалось, что в результате таких «крепких объятий» изменилась кристаллическая решетка вещества и при этом его электропроводность возросла в миллион раз!
Мировое производство индия пока очень мало – всего несколько десятков тонн в год. Обычно этот ценнейший металл получают как… побочный продукт при переработке руд цинка, свинца, меди, олова. Оригинальный способ получения индия разработали ученые ГДР. Они предложили добывать его из пыли, облака которой «украшали» небо над одним из предприятий по переработке медистых сланцев. Пыль, в которой среди прочих компонентов содержится индий, сначала промывается горячей серной кислотой, затем проходит долгий путь сложных превращений, в результате которых получается чистый индий.
Интерес к индию все время растет. Ученые стремятся как можно больше узнать об этом металле. Несколько лет назад физики США сумели заполнить еще один пробел в характеристике индия, определив конфигурацию его ядра: оказалось, что оно напоминает… футбольный мяч с полоской по «экватору».
…В природе индий встречается редко, но можно с уверенностью утверждать, что в промышленном мире он с каждым годом будет становиться все более и более желанным гостем.
СЛУЧАЙ В ШТАЛЬГАУЗЕНСКОМ МОНАСТЫРЕ (СУРЬМА)
Хрустальная мечта. – Проделки хитрого монаха. – Версия на версии. – Не насурьмить ли брови? – В Древнем Вавилоне. – «Триумфальная колесница Антимония». – Дефицит небесных тел. – Внешность обманчива. – Волк открывает пасть. – На Солнце нет сурьмяных пятен. – Находка в Киргизии. – Дело несложное, но хлопотливое. – Примеси-кочевники. – Эталон чистоты. – Склонность к полноте. – Немного шрапнели. – Баббиты не забыты. – По следам пули. Театральный занавес. – Борьба за огонь. – Бактериям не спится.
Поиски «философского камня», словно эпидемия, охватили средневековую Европу. Идея найти волшебное вещество, с помощью которого без особых хлопот можно было бы превращать в золото чуть ли не любой другой металл, казалась весьма заманчивой. Особое пристрастие к этому занятию питали, как ни странно, духовные особы, хоть им вроде бы и не к лицу было уподобляться алчным мирянам, беззастенчиво стремящимся к обогащению. В те далекие времена вряд ли удалось бы отыскать хоть один монастырь, в кельях и подвалах которого не шла бы напряженная алхимическая работа. Денно и нощно кипели в ретортах огненные жидкости, измельчались и перемешивались в ступках подозрительные порошки, но, увы, чудо-камень так и оставался хрустальной мечтой всех искателей счастья.
Для отца Леонардуса, настоятеля Штальгаузенского монастыря в Баварии, мысли о спасении души на время явно отступили на второй план. Куда важнее было докопаться до точного рецепта «философского камня». Смиренный отец перепробовал уже десятки вариантов, но ни один из них не дал желаемого результата. И тут его осенило: «А не попробовать ли смешать пепел сожженного накануне еретика с пеплом его кота (казненного вместе с хозяином в назидание прочим тварям), да добавить еще двойное количество земли, взятой из-под костра…» Столь научный подход к подбору компонентов несомненно сулил успех. Тщательно перемешав золу с землей и проделав еще кое-какие необходимые манипуляции со смесью, Леонардус нагрел ее и стал терпеливо ожидать, пока она остынет и превратится в легкое прозрачное вещество: ведь именно так, по мнению ряда крупных специалистов, должен был выглядеть «философский камень». Но, видимо, дьявол не дремал: остывшая смесь оказалась тяжелым темным веществом с металлическим блеском. Раздосадованному настоятелю ничего не оставалось делать, как выбросить плоды очередного неудачного эксперимента в угол монастырского двора.
Шли дни. Как-то однажды, разгуливая в паузах между алхимическими опытами и молитвами по двору, отец Леонардус обратил внимание на свиней, с удовольствием полизывающих выброшенный им камень. К тому же он подметил, что свиньи за последнее время заметно подобрели.
«Не иначе как сей камушек свойствами питательными обладает, – смекнул хитрый настоятель. – Если подкормить им монахов, то можно, пожалуй, кое-чем поживиться и без „философского камня“». Задумано-сделано. Быстренько приготовил он новую порцию своего «фирменного блюда», и уже на следующий день худосочные монахи получили на завтрак кашу с чудодейственной приправой. Но дьяволу явно не спалось: на следующее утро все сорок монахов Штальгаузенского монастыря скончались в страшных муках. Только теперь понял Леонардус, какой великий грех взял он на душу. С этого дня он зарекся проводить свои эксперименты, а злополучный камень прозвал «антимониумом», т. е. средством против монахов.
Такова одна из версий происхождения названия элемента, известного у нас как сурьма. За достоверность описанных событий ручаться трудно: возложим ответственность за нее на популярного чешского писателя Ярослава Гашека, поведавшего об этой истории в своем рассказе «Камень жизни».
По другой версии, название это, сохранившееся, кстати, во многих языках, происходит от греческих слов «антос аммонос» – цветок бога Амона (Юпитера): сростки игольчатых кристаллов минерала сурьмяного блеска (антимонита) в самом деле напоминают цветы. Некоторые историки химии считают, что слово «антимоний» – производное от греческого «антимонос». т. е. противник уединения: этим как бы подчеркивался тот факт, что в природе сурьма не встречается в одиночестве, а всегда обитает в компании с другими элементами.
Есть и иные версии, но как бы то ни было, а в 1789 году знаменитый Антуан Лавуазье под таким названием включил сурьму в составленный им список известных к тому времени химических элементов. Русское название «сурьма» происходит от турецкого «сюрме», что переводится как «натирание» или «чернение бровей». В старину на Руси бытовало выражение «насурьмить брови», хотя краской для бровей служили не только соединения сурьмы. Это название закрепилось сначала за фиолетово-черной трехсернистой сурьмой, а затем перешло к элементу № 51. Латинское же название его «стибиум» происходит либо от греческого слова «стиби» – так назывался минерал сурьмяный блеск, либо от слова «стимми». означавшего сурьмяную краску, которую гречанки использовали для косметических целей.
Знакомство человека с сурьмой насчитывает уже не одно тысячелетие: в странах Древнего Востока (например, в Вавилонском царстве) из нее изготовляли вазы, различные сосуды и другие предметы.
Первая известная нам книга, в которой подробно описаны свойства сурьмы и ее соединений. – «Триумфальная колесница антимония», издана в 1604 году. Ее автор вошел в историю химии под именем немецкого монаха-бенедиктинца Василия Валентина. Кто скрывается под этим псевдонимом, установить не удалось, но еще в прошлом веке было доказано, что в списках монахов ордена бенедиктинцев брат Василий Валентин никогда не числился. Есть, правда, сведения, будто бы в XV веке в Эрфуртском монастыре жил монах по имени Василий, весьма сведущий в алхимии: кое-какие принадлежащие ему рукописи были найдены после его смерти в ящике вместе с порошком золота. Но отождествлять его с автором «Триумфальной колесницы антимония», видимо, нельзя. Вероятнее всего, как показал критический анализ ряда книг Василия Валентина, они написаны разными лицами, причем не ранее второй половины XVI века.
Еще средневековые металлурги и химики подметили, что сурьма куется хуже, чем «классические» металлы, и поэтому вместе с цинком, висмутом и мышьяком ее выделили в особую группу – «полуметаллов». Для этого имелись и другие «веские» основания: по алхимическим понятиям, каждый металл был связан с тем или иным небесным телом. «Семь металлов создал свет по числу семи планет» – гласил один из важнейших постулатов алхимии. На каком-то этапе людям и впрямь были известны семь металлов и столько же небесных тел (Солнце, Луна и пять планет, не считая Земли). Не увидеть в этом глубочайшую философскую закономерность могли только полные профаны и невежды. Стройная алхимическая теория гласила, что золото представлено на небесах Солнцем, серебро-это типичная Луна, медь несомненно связана родственными узами с Венерой, железо явно тяготеет к Марсу, ртуть соответствует Меркурию, олово олицетворяет Юпитер, а свинец – Сатурн. Для других элементов в рядах металлов не оставалось ни одной вакансии.
Если для цинка и висмута такая дискриминация, вызванная дефицитом небесных тел, была явно несправедливой, то сурьма с ее своеобразными физическими и химическими свойствами и в самом деле не вправе была сетовать на то, что оказалась в разряде «полуметаллов».
Судите сами. По внешнему виду кристаллическая, или серая, сурьма (это ее основная модификация) – типичный металл серо-белого цвета с легким синеватым оттенком, который тем сильнее, чем больше примесей (известны также три аморфные модификации: желтая, черная и так называемая взрывчатая). Но внешность, как известно, бывает обманчивой, и сурьма это подтверждает. В отличие от большинства металлов, она, во-первых, очень хрупка и легко истирается в порошок, а во-вторых, значительно хуже проводит электричество и тепло. Да и в химических реакциях сурьма проявляет такую двойственность, что не позволяет однозначно ответить на вопрос: металл она или не металл.
Словно в отместку металлам за то, что они неохотно принимают ее в свои ряды, расплавленная сурьма растворяет почти все металлы. Об этом знали еще в старину, и не случайно во многих дошедших до нас алхимических книгах сурьму и ее соединения изображали в виде волка с открытой пастью. В трактате немецкого алхимика Михаила Майера «Бегущая Атланта», изданном в 1618 году, был помещен, например, такой рисунок: на переднем плане волк пожирает лежащего на земле царя, а на заднем плане тот же царь, целый и невредимый, подходит к берегу озера, где стоит лодка, которая должна доставить его во дворец на противоположном берегу. Символически этот рисунок изображал способ очистки золота (царь) от примесей серебра и меди с помощью антимонита (волк) природного сульфида сурьмы: при сплавлении золота с антимонитом серебро и медь превращались в сульфиды, а золото образовывало соединение с сурьмой, которое затем обрабатывали струей воздуха – сурьма улетучивалась в виде трехокиси, и получалось чистое золото. Этот способ существовал до XVIII века.
В земной коре сурьмы немного – всего 5*10-5 %. Тем не менее она входит в состав примерно ста минералов, самый распространенный из которых – сурьмяный блеск (он же антимонит, он же стибнит), содержащий более 70 % сурьмы и служащий основным промышленным сырьем для ее получения. Другие важные минералы этого элемента – кермезит, сервантит (сурьмяная охра), валентинит.
Зафиксированы случаи присутствия сурьмы в составе метеоритов, а вот на Солнце, где спектральным анализом уже обнаружены многие элементы, сурьму пока найти не удалось.
Значительные месторождения сурьмяных минералов расположены в Китае, Чехословакии, Боливии, Мексике, Японии, США, в ряде африканских стран. В дореволюционной России сурьму совсем не добывали, да и месторождения ее были не известны (в начале XX века Россия ежегодно ввозила из-за границы почти по тысяче тонн сурьмы). Правда, еще в 1914 году, как писал в своих воспоминаниях видный советский геолог академик Д. И. Шербаков, признаки сурьмяных руд он обнаружил в Кадамджайском гребне (Киргизия). Но тогда было не до сурьмы. Геологические поиски, продолженные ученым спустя почти два десятилетия, увенчались успехом, и уже в 1934 году из кадамджайских руд начали получать трехсернистую сурьму, а еще через год на опытном заводе была выплавлена первая отечественная металлическая сурьма. Уже к 1936 году полностью отпала необходимость в покупке ее за рубежом.
Получить сурьму из руды или концентрата – дело несложное: с помощью железа ее вытесняют из сульфидов, а углерод помогает ей расстаться с кислородом окисла. Можно воспользоваться и гидрометаллургическими методами: перевести сурьму сначала в раствор, а затем извлечь ее путем электролиза. Но беда в том, что получаемая всеми этими способами сурьма не блещет чистотой: содержание в ней примесей (железа, меди, мышьяка, серы и других) достигает порой 10–15 %.
На такой товар охотников найдется немного, поэтому черновую сурьму приходится подвергать очистке. Ее снова расплавляют, добавляя в печь такие вещества, которые активно взаимодействуют с примесями: серу связывают железом, мышьяк выгоняют содой, а железо и медь покорно удаляются после вмешательства сернистой сурьмы. Этот метод называется огневым рафинированием.
Известен другой метод очистки – электролитический. Ток, проходя через электролит, которым заполнены большие ванны, проявляет особое внимание к атомам сурьмы и препровождает их на один из электродов (катод), где они тесно «прижимаются» друг к другу. К примесям же такого почтения нет, и им приходится оставаться в растворе.
Рафинированная сурьма содержит уже не более 0,5–0,8 % чужих атомов, но и такой металл удовлетворяет не всех потребителей: для полупроводниковой промышленности, например, требуется сурьма 99,999 %-ной чистоты. Чтобы получить ее, применяют кристаллофизический метод очистки – зонную плавку. Длинный цилиндрический слиток сурьмы укладывают в графитовый контейнер (в виде корытца) и помещают в кварцевую трубку, вокруг которой расположен кольцевой электрический нагреватель. В процессе плавки нагреватель перемещается относительно слитка, расплавляя поочередно все новые и новые порции металла. Когда «покинутая» нагревателем порция сурьмы застывает, все содержащиеся в ней примеси перебираются в следующую зону, где металл находится в жидком виде. Это происходит в силу физического закона, по которому при кристаллизации вещества примеси «не имеют права» застывать вместе с ним, а должны оставаться в жидкой фазе. (За примерами ходить далеко не надо: ледяной панцирь, покрывающий зимой северные моря, не содержит солей, хотя в морской воде их довольно много). Постепенно перемещаясь вместе с зоной расплавленного металла, все примеси в конце концов оказываются на краю слитка. Эту часть его отрезают, а всю остальную сурьму – теперь уже сверхчистую – сдают на склад готовой продукции. Впрочем иногда, в особо ответственных случаях, зонную плавку повторяют несколько раз. Для соблюдения химической стерильности процесс ведут в атмосфере инертного газа (аргона), не желающего вступить ни в какие реакции.
Подвергнутый многостадийной очистке металл способен удовлетворить самого взыскательного потребителя. Не случайно на Всемирной выставке в Брюсселе, проходившей в 1958 году, сверхчистая сурьма Кадамджайского комбината была признана лучшей в мире и утверждена в качестве мирового эталона.
Именно такую сурьму используют как легирующую добавку (всего-навсего 0,000001 %!) к одному из важнейших полупроводниковых материалов – германию, что заметно улучшает его качество. Но если в ней на тысячу атомов окажется хотя бы один атом меди, то добавка вместо пользы принесет только вред. Вот почему прежде чем попасть на заводы, изготовляющие полупроводниковые приборы, сурьма и проходит тот длинный путь, о котором было рассказано выше. Кстати, некоторые ее соединения (в частности, с галлием и индием) – сами отличные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы, содержащие сурьму, были получены в условиях невесомости на борту советской орбитальной научной станции «Салют-6» и американской станции «Скайлэб».
На изготовление полупроводников расходуется сравнительно немного сурьмы. Основное ее количество идет на производство разнообразных сплавов – их насчитывается около двухсот. Еще в трудах крупнейшего металлурга средневековья Георга Агриколы, жившего в XVI веке, мы находим такие строки: «Если путем сплавления определенная порция сурьмы прибавляется к олову, получается типографский сплав, из которого изготовляется шрифт, применяемый теми, кто печатает книги». И сегодня сплав свинца с сурьмой и оловом (гарт) непременный атрибут любой типографии. Расплавленная сурьма, в отличие от других металлов (кроме висмута и галлия), при затвердевании увеличивает свой объем. Поэтому при отливке шрифта типографский сплав, содержащий сурьму, застывая в литейной матрице, расширяется, благодаря чему плотно ее заполняет и, следовательно, очень точно воспроизводит зеркальное изображение буквы, цифры или какого-либо иного знака, который затем, при печати, должен быть перенесен на бумагу. Помимо этого, сурьма придает типографскому сплаву твердость и износостойкость – весьма важные свойства, если учесть, что каждая литера выполняет свои функции десятки тысяч раз. На склонности остывающей сурьмы к «полноте» основано использование ее сплавов для художественного литья, где необходимо сохранять тончайшие детали оригинала.
Твердые и коррозионностойкие сплавы свинца с сурьмой применяют в химическом машиностроении (для облицовки ванн и другой кислотоупорной аппаратуры), а также для изготовления труб, по которым транспортируются кислоты, щелочи и другие агрессивные жидкости. Из них же делают оболочки, окутывающие различные кабели (электрические, телеграфные, телефонные), решетки свинцовых аккумуляторов, сердечники пуль, дробь, шрапнель.
