Итак, титан является счастливым обладателем многих ценных свойств. Почему же до сих пор его применяют в промышленности не столь широко, как, например, сталь или алюминий?
Высокая цена - вот что в какой-то мере тормозило потребление титана. Собственно говоря, этот «порок» не врожденный, а обусловлен лишь чрезвычайной трудностью извлечения титана из руд. Если принять относительную стоимость титана в концентрате за 1, то после длинного и сложного технологического пути, который преодолевает титан в процессе превращения в готовую продукцию - тонкий лист, стоимость его возрастает в 500 - 600 раз. Но это - беда поправимая: производство нового металла непрерывно совершенствуется, и не за горами то время, когда он будет так же дешев, как алюминий, который еще в конце прошлого века конкурировал с драгоценными металлами. Недалек тот день, когда на прилавках магазинов можно будет встретить столовые и кухонные приборы из титана и его сплавов, - титан «шагает в массы».
До самого последнего времени титан совершенно необоснованно относили (а порой и сейчас относят) к редким металлам. В действительности же лишь очень немногие элементы распространены в природе больше, чем титан. Количество титана в земной коре в несколько раз превышает запасы таких металлов, как медь, цинк, свинец, золото, серебро, платина, хром, вольфрам, ртуть, молибден, висмут, сурьма, никель, олово, вместе взятых. Вот так редкий!
Впрочем, в известном смысле термин «редкий» имеет некоторое отношение к титану: ведь редкая горная порода не содержит этот элемент (из 800 исследованных горных пород титан был найден в 784!).
Известно около 70 минералов титана, в которых он находится в виде двуокиси или солей титановой кислоты. Наибольшее практическое значение имеют ильменит (который раньше назывался менакканитом), рутил, перовскит и сфен. «Компания» титановых минералов постоянно расширяется. Так, совсем недавно в Ловозерских тундрах (на Кольском полуострове) геологи нашли неизвестный ранее камень (точнее, песчинку - ведь вес находки составлял лишь десятую долю грамма), который был назван натиситом, поскольку его основными компонентами оказались натрий, титан и кремний (силиций). Богатые месторождения титановых руд имеются в СССР (Урал, Сибирь, Украина, Алтай, Хибины), США, Индии, Норвегии, Канаде, Австралии и других странах. Всего на земном шаре известно более 150 значительных рудных и рассыпных месторождений титана.
Еще до полетов американских космических кораблей «Аполлон» и советских автоматических станций «Луна», доставивших на Землю образцы лунных пород, некоторые ученые высказывали предположение, что лунный грунт содержит довольно большие количества окиси титана. Теперь вчерашняя гипотеза стала уже экспериментально подтвержденным фактом. Кто знает, может быть, в недалеком будущем газеты сообщат, что где-нибудь в районе Моря Спокойствия или Океана Бурь начал действовать первый на Луне титановый рудник.
Интересные данные доставили на Землю советские космонавты Петр Климук и Валентин Лебедев - экипаж космического корабля «Союз-13». Им удалось получить ультрафиолетовую спектрограмму одной из планетарных туманностей, к которым астрономы всегда проявляли повышенный интерес. Типичная туманность представляет собой газовое образование с горячей звездой в центре. Поскольку эти небесные объекты находятся на колоссальном расстоянии от нашей планеты, информация о них крайне скудна. За все годы изучения планетарных туманностей в них было обнаружено лишь 17 химических элементов, причем за последние четверть века никаких новостей в этом смысле из «дальних краев» не поступало. И вот приборы, находящиеся на борту «Союза-13», неопровержимо установили наличие в планетарной туманности еще двух элементов - алюминия и титана.
Итак, ни наша планета, ни ее ближайшая спутница, ни другие небесные тела не вправе сетовать на отсутствие титана. Но ведь нужно еще извлечь металл из руды и довести его до такого состояния, в котором он может быть использован в современной технике. А задача эта очень нелегкая.
Дело в том, что союз титана с кислородом (а именно в виде такого соединения элемент обычно и встречается в природе) является одним из самых прочных в химии.
Ни электрический ток, ни высокие температуры не в силах вырвать титан из объятий кислорода. Это заставило ученых искать окольные пути получения титана в свободном виде. В 1940 году американский ученый Кролль сумел разработать так называемый магниетермический способ промышленного производства титана. Сущность его заключается в следующем. Сначала двуокись титана с помощью хлора и углерода переводят в четыреххлористый титан. Справиться же с хлором, который теперь занимает место кислорода, уже значительно легче; эту задачу вполне успешно решает, например, такой элемент, как магний. В результате реакции четыреххлористого титана с магнием образуется губчатая масса, состоящая из титана, магния и хлористого магния. Для получения чистого компактного титана эту массу переплавляют в вакууме или в атмосфере инертного газа (чтобы в металл не попали азот и кислород воздуха).
В промышленности находит применение также натриетермический метод получения металлического титана, который в принципе мало отличается от магниетермического. Чтобы получить особо чистый титан, в настоящее время используют иодидный метод, предложенный уже известными нам ван Аркелем и де Буром.
Полученный из хлорида технически чистый титан превращают в иодид, который затем возгоняют в вакууме. На своем пути пары иодида встречают раскаленную (до 1400°С) титановую проволоку. Иодид при этом разлагается, и на проволоке оседает слой чистого титана. Вследствие дороговизны зтот метод еще не имеет промышленного применения. Такой титан используют в основном для лабораторных исследований.
Как вы уже убедились, свойства титана во многом зависят от степени его чистоты, поэтому разработка способов массового производства особо чистого титана является одной из важнейших проблем промышленности. Ведь из поистине огромных природных запасов титанового сырья в металл превращаются пока лишь тысячные доли процента. Несмотря на стремительный рост мощностей по производству титана, потребности в зтом замечательном металле явно превышают масштабы его добычи. Не случайно долгое время американское правительство запрещало фирмам, производящим титановый прокат, продавать его невоенным предприятиям.
Сделать титан более дешевым - зту задачу решают сегодня специализированные научно-исследовательские институты, число которых непрерывно растет. Несколько лет назад новый институт легких металлов был создан в Кливленде (США). Любопытно, что на церемонии открытия традиционная ленточка, натянутая перед входом в институт, была изготовлена из... титана. Чтобы ее перерезать, мзр города вместо ножниц вынужден был воспользоваться газовой горелкой и защитными очками.
В наши дни к титану приковано внимание тысяч ученых. В многочисленных лабораториях образцы этого металла ежедневно подвергаются жестоким «пыткам»: его рвут на части, гнут, «варят» в кислотах и щелочах, раскаляют, охлаждают до сверхнизких температур, воздействуют на него чудовищными нагрузками, током высокой частоты, ультразвуком.
И титан раскрывает человеку свои тайны...
Sc
Ti
V
Cr
Ga
Ge
As
Se
Y
Zr
Nb
Mo
«ВИТАМИН V»
Находка на месте катастрофы. - Идея воплощается в жизнь. - Богиня не отвечает на стук. - Удача Нильса Сёвстрема. - Ошибку дель Рио повторяет Вёлер. - Второе рождение ванадия. - «Я был настоящим ослом...» - Успешные опыты Генри Роско. - 50 тысяч рублей за 1 килограмм! - Руда с Венеры. - Секрет неутомимости стали. - Пушка поднимается в воздух. - Атака и оборона. - «Дипломаты» хитрят. - Чернильная радуга. - Свиньи довольны. - Морские коллекционеры. - Плантации на дне моря. - Дела давно минувших дней.
Если бы не было ванадия - не было бы автомобиля». Эти слова принадлежат автомобильному королю Генри Форду. В 1905 гбду Форд присутствовал на крупных автомобильных гонках. Как часто случается на подобных состязаниях, не обошлось без катастрофы. Спустя некоторое время Форд подошел к месту, где разыгралась трагедия, и подобрал там обломок детали одной из двух столкнувшихся машин - французской. Это была часть стержня клапана. Казалось бы, деталь как деталь, но искушенного в этих вопросах Форда поразила ее легкость и в то же время высокая твердость. Из лаборатории, куда был отправлен обломок для химического анализа, сообщили, что необычная сталь содержит ванадий.
Идея широко использовать такую сталь в производстве автомобилей всецело овладела Фордом. Еще бы: ведь если ее удастся воплотить в жизнь, автомобиль станет значительно легче; это позволит сэкономить много металла и машины можно будет продавать по более низкой цене. Значит, резко увеличится число покупателей, а следовательно, возрастут и его собственные прибыли. И Форд принялся за осуществление своей идеи. Немало трудностей пришлось ему преодолеть, прежде чем цель была достигнута. Когда через несколько лет после гонок, неожиданно сыгравших в истории автомобилестроения немаловажную роль, французский департамент торговли и промышленности провел испытания отдельных деталей новой фордовской машины, выяснилось, что американская сталь по всем показателям намного превосходит французскую.
Что же представляет собой ванадий, совершивший поистине революцию в автомобильной промышленности?
Вот как описывает историю открытия ванадия известный шведский химик Берцелиус:
«В давние-давние времена на далеком севере жила Ванадис, прекрасная и любимая всеми богиня. Однажды кто-то постучал в ее дверь. Богиня удобно сидела в кресле и подумала: «Пусть он постучит еще раз». Но стук прекратился, и кто-то отошел от дверей. Богиня заинтересовалась: кто же этот скромный и неуверенный посетитель? Она открыла окно и посмотрела на улицу. Это был некто Вёлер, который поспешно уходил от ее дворца.
Через несколько дней вновь услышала она, что кто-то стучится к ней, но на этот раз стук настойчиво продолжался до тех пор, пока она не встала и не открыла дверь. Перед ней стоял молодой красавец Нильс Сёвстрем. Очень скоро они полюбили друг друга, и у них появился сын, получивший имя Ванадий. Это и есть имя того нового металла, который был открыт в 1831 году шведским физиком и химиком Нильсом Сёвстремом».
В этом рассказе имеется неточность. Первым, кто «постучал» в комнату богини Ванадис, был не немецкий химик Фридрих Вёлер, а замечательный мексиканский химик и минералог Андрес Мануэль дель Рио. Еще задолго до Вёлера, в 1801 году, изучая бурые свинцовые руды Мексики, дель Рио обнаружил, что в них присутствует неизвестный в то время металл.
Соединения нового металла были окрашены в самые разнообразные цвета, поэтому ученый назвал открытый им элемент «панхромом», т. е. «всецветным», а позднее заменил это название на «эритроний», что означает «красный».
Однако научно подтвердить свое открытие дель Рио не смог. Более того, в 1802 году он пришел к выводу, что новый элемент - это открытый незадолго до того хром. Ту же ошибку спустя несколько лет повторил Вёлер, который так робко «стучался в дверь богини Ванадис».
Лишь спустя почти тридцать лет состоялось второе рождение ванадия. На этот раз у колыбели новорожденного стоял молодой шведский ученый Нильс Сёвстрем. В то время в Швеции начала развиваться металлургия. В разных частях страны появлялись заводы. И вот что было замечено: металл, выплавленный из железных руд одних месторождений, был хрупким, в то время, как из других руд получался весьма пластичный металл. Чем объяснить такое различие? Сёвстрем решил найти ответ на этот вопрос.
Исследуя химический состав руд, из которых был выплавлен металл высокого качества, ученый после долгих опытов сумел доказать, что в этих рудах содержится новый элемент, причем именно тот, который в свое время был обнаружен дель Рио и ошибочно принят им за хром. Новый металл был назван ванадием.
Ни дель Рио, ни Вёлеру не суждено было стать «крестными отцами» нового элемента, хотя они были близки к этому. После успеха Сёвстрема Вёлер писал своему другу: «Я был настоящим ослом, что проглядел новый элемент в бурой свинцовой руде, и прав был Берцелиус, когда он не без иронии смеялся над тем, как неудачно и слабо, без упорства стучался я в дом богини Ванадис».
В России ванадий впервые был найден в 1834 году в свинцовой руде Березовского рудника на Урале, а в 1839 году - в пермских песчаниках.
Уже в то время русский инженер Шубин высказал мысль о благотворном влиянии ванадия на свойства железных и медных сплавов. «Медистый чугун, черная медь, гаркупфер и штыковая медь, - писал он в одной из статей, - составляют металлические сплавы с ванадом и, вероятно, его присутствие придает им большую твердость».
На протяжении многих лет никому не удавалось выделить ванадий в чистом виде. Только в 1869 году английский химик Генри Роско после напряженных поисков сумел получить чистый металлический ванадий. Впрочем, чистым он мог считаться лишь по тем временам, так как содержал более 4% примесей. А между тем даже небольшие примеси резко меняют свойства этого элемента. Чистый ванадий - серебристо-серый металл, обладающий высокой пластичностью, - его можно ковать. Самые незначительные количества примесей, особенно азота, кислорода, водорода, делают металл хрупким и твердым, неохотно поддающимся обработке. Получить чистый ванадий долгое время представлялось очень сложным из-за его необычайной активности при высоких температурах: не удавалось подобрать такой материал для тигля, который бы не растворялся ванадием и не загрязнял его при плавке. Тогда ученые пошли по другому пути. Совсем недавно был разработан электролитический метод рафинирования ванадия до чистоты 99,99%. Что и говорить, 4 и 0,01% - разница существенная. \
Долгое время ванадий не находил широкого промышленного применения. Так, в 1907 году мировое производство ванадия составило всего ... 3 тонны. Да и цена на ванадий вначале была баснословная: 50 тысяч рублей золотом за 1 килограмм!
И мизерное производство ванадия, и безумная цена его объяснились просто. Несмотря на то что земная кора содержит немало ванадия - примерно 0,2% (т. е. в 15 раз больше, чем свинца, и в 2000 раз больше, чем серебра), скопления его встречаются на земле крайне редко (именно поэтому ванадий и относят к редким металлам). Руда, содержащая 1 % ванадия, считается чрезвычайно богатой; промышленной переработке подвергают даже те руды, которые содержат всего 0,1% этого ценного и дефицитного элемента.
Интересно, что в падающих на землю метеоритах содержание ванадия в 2 - 3 раза больше, чем в земной коре. Судя по тому, что в спектре Солнца имеется немало линий, присущих атомам ванадия, солнечная материя также богаче этим элементом, чем наша планета.
Возможно, когда-нибудь прибытие на металлургический завод партии богатой ванадиевой руды, например, с Марса или Венеры будет расцениваться как обычная транспортная операция, но пока землянам приходится рассчитывать лишь на свои собственные ресурсы.
Трудность извлечения ванадия из руд и была причиной того, что этот чудесный металл несколько десятков лет не мог найти себе применения. Однако бурное развитие техники вскоре широко распахнуло перед ванадием дверь в промышленный мир. Замечательная способность этого элемента придавать стали ценнейшие свойства определила его судьбу, его «амплуа» - ванадий начинает играть роль «витамина» для стали.
Незначительная добавка ванадия (доли процента) делает сталь мелкозернистой, придает ей большую упругость, большую прочность. Такая сталь легче переносит удар и изгиб, упорнее сопротивляется истиранию, лучше противостоит разрыву. А ведь именно эти качества «позарез» нужны автомобильным деталям! Вот почему такие ответственные узлы и детали автомобиля, как мотор, клапанные пружины, рессоры, оси, валы, шестерни изготовляют из неутомимой ванадиевой стали. Вот почему так высоко оценил роль ванадия Генри Форд. И не случайно академик А. Е. Ферсман сказал об этом элементе: «... сказочны те силы, которые он придает железу и стали, вооружая их твердостью и прочностью, вязкостью и гибкостью, неразрушимостью, необходимой для оси автомобиля».