От водорода до …? - Таубе Петр Рейнгольдович 23 стр.


Несмотря на то, что циркония в природе столько же, сколько и меди (0,003 %), он иногда и сейчас еще называется «редким» элементом. Это объясняется его распыленностью и трудностью выделения из природных соединений. Получение циркония, как и ряда других редких металлов, особенно в чистом виде стало возможным после того, как был разработан оригинальный метод, называемый «йодидным». Загрязненный металл соединяют с йодом. Йодистое соединение циркония помещается затем в цилиндрический сосуд. В центре этого сосуда проходит вольфрамовая нить, нагретая до 1400 °C. При нагревании йодистого соединения циркония его пары касаются нагретой вольфрамовой проволоки и разлагаются на чистейший металл и пары йода. Металл осаждается на проволоке. К сожалению, металл, получаемый таким путем, остается все еще очень дорогим.

Нагретый цирконий жадно поглощает газы из окружающей среды. На этом основано его применение при спекании порошков металлов, а также в электровакуумной технике. При комнатной температуре цирконий с газами не взаимодействует, но при 300 °C активно поглощает водород, а выше 400 °C взаимодействует с кислородом и азотом.

Есть еще одна область, в которой цирконий находит широкое применение в настоящем и найдет неограниченное применение в будущем. Это область атомных двигателей. Высокая температура плавления, прочность и, главное, нейтронная инертность делают цирконий и его сплавы незаменимым материалом для деталей атомных двигателей.

Ниобея или Колумб?

41. Ниобий — Niobium (Nb)

Ниобея — дочь Тантала, потеряв свое многочисленное потомство, от душевной боли и потрясения оцепенела и превратилась в камень, источавший слезы. Так утверждает греческая мифология. По имени этой безутешной матери, оплакивающей смерть своих детей, или камня, источавшего воду, был назван химический элемент ниобий, открытый в 1801 г. английским химиком Гетчетом и впервые названный им колумбием. Минералы, содержащие ниобий, колумбит и танталит, редки. Это является одной из главных причин сравнительно ограниченного применения ниобия и его соединений, несмотря на то, что ниобий отличается исключительными техническими качествами: высокой антикоррозионной стойкостью, устойчивостью к химическим реагентам, тугоплавкостью (плавится при 2415 °C), прочностью. Добавка ниобия к специальным сортам стали резко повышает устойчивость сварных швов из этих сталей. Стали, содержащие от 1 до 5 % ниобия, отличаются исключительной жаростойкостью и применяются для устройства котлов высокого давления и реактивных двигателей.

Насколько ниобий «трудный» металл для техники, можно судить хотя бы по такому факту. Обнаружили элемент в 1801 г., а выделили в чистом виде лишь в 1907 г. Сто лет понадобилось, чтобы разработать метод получения.

Наконец, еще одно интересное, ранее только упомянутое свойство чистого ниобия: он очень хорошо поглощает водород при обычной температуре. 1 г ниобия поглощает более 100 куб. см газа. Впитывает его, как губка. Но такую «губку» можно «выжать» лишь при сильном нагревании. Даже при нагревании такого ниобия до 900 °C каждый грамм его продолжает сохранять в себе 4 куб. см водорода.

Особенно замечательны свойства некоторых соединений ниобия. Так, например, карбид ниобия имеет высокую температуру плавления и обладает огромной твердостью. Это используется в изготовлении сверхтвердых сплавов для резцов, сверл, наконечников зубил и т. д.

До 1950 г. в американской и английской литературе ниобий назывался колумбием.

Это название произошло от минерала колумбита (в котором открыт элемент), в свое время вывезенного из Северной Америки и хранившегося в Британском музее. Происхождение же названия минерала связывается с названием штата Северной Америки — Колумбией. Название «Колумбия» широко распространено на континенте Америки. Такое название носят несколько городов в США, провинция в Канаде, Союзный Округ США, река в западной части Северной Америки, государство в Южной Америке и др. Все они давались в честь первооткрывателя этой страны — Христофора Колумба. Очевидно не лишено основания мнение некоторых авторов, связывающих название элемента с именем прославленного мореплавателя.

В 1950 г. химики договорились о едином названии этого металла во всех странах, сохранив за ним «имя» сказочной Ниобеи, введенное в науку в 1844 г. немецким химиком Г. Розе.

Секрет самурайских мечей

42. Молибден — Molybdaenum (Мо)

Крайне необходимая для человеческого организма поваренная соль как бы «поглотила» ядовитые свойства входящего в состав этой соли хлора и чрезвычайную химическую активность металлического натрия. В химии подобные явления не являются исключением. Молибденит — минерал, известный еще в древности, также представляет соединение, в котором составные части — молибден и сера — совершенно не имеют ничего сходного по свойствам с самим минералом.

Молибденитом можно писать как карандашом, сердечник которого состоит из графита, только графит на бумаге оставляет серо-черный след, а у молибденита черта на бумаге имеет зеленовато-серый отлив. Название минерала — молибденит происходит от греческого слова «молюбдос», что значит «свинец». Оно намекает на малую твердость молибденита (равную почти твердости талька) и свинцово-серый цвет. От молибденита получил свое название и открытый в нем в 1778 г. Шееле элемент — молибден.

Впервые в сравнительно чистом виде металл молибден был выделен в 1783 г. шведским химиком П. Гьельмом. В химически чистом виде молибден — серовато-белый, тяжелый (плотность 10,3), тугоплавкий (плавится при 2625 °C) металл, хорошо поддающийся механической обработке. Следует заметить, что свойства металлического молибдена еще в начале XX в. описывались иначе, чем в настоящее время. Дело в том, что такие свойства, как твердость, температура плавления, химическая активность, очень сильно зависят от чистоты металла. Даже небольшие примеси других элементов резко изменяют свойства металлического молибдена. Поэтому неудивительно, что в книгах, изданных в двадцатых годах, молибдену приписывают большую хрупкость, в то время как молибден, полученный сравнительно недавно, легко прокатывается и куется.

Интерес к молибдену, как металлу, впервые проявился после того, как была разгадана тайна большой остроты самурайских мечей. Долгое время металлургам не удавалось изготовить сталь с такой степенью прочности, чтобы острие приготовленного из нее холодного оружия не тупилось, подобно старинным самурайским клинкам. Однако тайны старинных мастеров, начало разгадкам которых было положено великим русским металлургом П. П. Аносовым, в конце концов были раскрыты. Был раскрыт и «секрет» остроты самурайских мечей. Оказалось, что в состав их стали входил… молибден. Когда выяснилось благотворное влияние небольших добавок молибдена на качество стали, молибден стал объектом внимания многих специалистов. Вскоре установили, что добавка к стали молибдена вызывает повышение вязкости и твердости, тогда как обычно всякое увеличение твердости влекло за собой повышение хрупкости.

Когда на полях сражений в мировую войну 1914–1918 гг. появились первые англо-французские «сухопутные дредноуты» — неуклюжие танки, то их 75-миллиметровую броню из твердой, но хрупкой марганцевой стали легко пробивали 75-миллиметровые снаряды немецкой артиллерии. Стоило добавить к броневой стали всего 1,5–2 % молибдена, как те же снаряды стали бессильны перед броневым листом всего в 25 мм. Введение молибдена в состав сталей, особенно в сочетании с хромом и вольфрамом, необычайно повышает их твердость и химическую устойчивость. Сплавы молибдена с вольфрамом обладают такими свойствами теплового расширения, которые позволяют применять их вместо платины.

От брони и орудийных стволов вернемся ко всем знакомой электрической лампочке. Глядя на лампочку, как говорят шутливо, невооруженным глазом, можно заметить стеклянный баллон, а в нем проволочку, которая раскаляется электрическим током. При более близком ознакомлении с веществами, из которых состоят составные элементы лампочки, выясняется, что ярко светящаяся нить лампочки сделана из вольфрама, а крючки, на которых подвешена вольфрамовая нить, — из молибдена.

В электронной лампе, составляющей основу современной радиотехники, тонкие нити, поддерживающие катод и анод, изготовлены из молибдена. Из сплава молибдена с цирконием изготовляются аноды электронных ламп. Антикатоды рентгеновских трубок, спирали мощных нагревательных печей также состоят из металлического молибдена.

Природа сравнительно богата молибденом. На долю молибдена приходится 0,0003 % от общего числа атомов земной коры. Месторождения молибденовых соединений встречаются во многих местах земного шара. Они есть в США, Чили, Мексике, Норвегии, Африке. Залежи молибденовых руд имеются и в СССР.

Получение молибдена и ныне представляет серьезные затруднения. Во всяком случае, технология получения молибдена включает очень много химических операций, в результате которых получают трехокись молибдена. Но на этом процесс не заканчивается: нужно восстановить трехокись молибдена до чистого металла, а это не так просто. Углеродом восстанавливать нельзя, в этом случае получается не чистый молибден, а молибден с примесью карбидов — очень твердых и хрупких веществ, которые пригодны лишь для получения твердых сплавов. Поэтому трехокись молибдена восстанавливают водородом или алюминотермическим путем. Молибден благодаря высокой температуре его плавления получается в виде порошка. Для того чтобы превратить порошок в компактный металл, необходимо осуществить ряд операций так называемой порошковой металлургии — прессование порошка, спекание, волочение в проволоку.

Большая часть молибденовой руды перерабатывается на ферромолибден, — высокопроцентный сплав молибдена с железом, который необходим основному потребителю — металлургии сталей.

Широко применяется молибден в виде различных соединений. Одни из них — хорошие катализаторы при переработке нефти, другие представляют отличные красители для тканей, пластических масс и кожи. Если бы молибден не был столь дефицитным, он нашел бы еще много областей применения.

Спрос на него чрезвычайно быстро увеличивается. В начале XX в. было добыто всего 20–30 т, в 1950 г. мировая добыча исчислялась десятками тысяч тонн.

Крупнейшее месторождение молибдена находится в штате Колорадо (США), но американские монополисты не желают увеличивать добычу молибдена, чтобы не снижать цен на него. На примере молибдена можно еще раз показать, как капитализм тормозит технический прогресс. Единственная область промышленности в условиях капитализма, в которой молибдену широко открыты двери металлургических производств, — военная.

Интересно, но далеко еще не изучено физиологическое действие молибдена: с одной стороны, наличие следов[20] молибдена необходимо для нормального развития растений, с другой, — установлено, что избыточное содержание молибдена в корме рогатого скота вызывает серьезные расстройства деятельности желудочно-кишечного тракта у животных.

Первый искусственно созданный

43. Технеций — Technetium (Tc)

В 1925 г. на страницах химических журналов появились сенсационные сообщения об открытии нового элемента, входящего в седьмую группу периодической системы. Элемент получил название «мазурий». Вслушайтесь в название: ма-зу-ри-й. Что-то созвучное с мазуркой — блестящим жизнерадостным польским национальным танцем, получившим в XIX в. известность во всех европейских странах, слышится в названии элемента. Однако не в честь мазурки — танца, вышедшего из воеводства Мазовии, назвали немецкие химики Вальтер Ноддак и Ида Таке (ставшая впоследствии Идой Ноддак) вновь открытый элемент. Мазурием он был назван в честь южной части округов Гумбиннен и Кенигсберг в Восточной Пруссии, издавна заселенных польскими крестьянами. «…В честь немецкой пограничной области», как отмечали немецкие газеты, вдохновлявшиеся милитаристскими кругами, был назван новый элемент. Но Мазурия — это польская земля, и тщетны были притязания германских милитаристов.

Неосновательным оказалось и притязание на открытие нового элемента. Исследования показали, что авторы поспешили со своими сообщениями — за новый элемент были приняты различные примеси других уже известных элементов.

Настоящее открытие, а вернее, получение элемента, занимающего в периодической системе Д. И. Менделеева 43 номер, было осуществлено итальянским ученым Э. Сегре и его помощником К. Перье в 1937 г. Новый элемент был создан путем «обстрела» молибдена дейтронами — ядрами тяжелого изотопа водорода, ускоренными на циклотроне[21].

Полученный искусственным путем, новый элемент в честь технического прогресса XX в., как детище этого прогресса, был назван технецием. «Техникос» — по-гречески «искусственный».

В 1950 г. общее количество технеция на всем земном шаре равнялось … одному миллиграмму. В настоящее время технеций получают в качестве отхода «производства» при работе ядерных реакторов.

Содержание технеция в продуктах расщепления урана достигает 6 %. Теперь технеций — элемент, изготовленный руками человека, — не является редкостью. К 1958 г. сотрудники Окриджской национальной лаборатории Паркер и Мартин имели в своем распоряжении несколько граммов технеция, соединения которого нашли широкое применение в изучении механизма коррозии и действия ингибиторов — веществ, задерживающих ее.

По своим химическим свойствам технеций подобен марганцу и рению. Больше похож он на рений. Плотность технеция — 11,5. В отличие от рения технеций более устойчив к действию химических реагентов. Пустая клетка в периодической системе элементов с надписью «экамарганец», существование которого Д. И. Менделеев предсказал еще в 1870 г., теперь заполнена элементом, свойства которого точно соответствуют предсказанным.

Однако на Земле технеция нет! Дело в том, что, являясь радиоактивным элементом, он не имеет долгоживущих изотопов. Самый устойчивый изотоп технеция имеет период полураспада, не превышающий 250 000 лет. А так как возраст Земли насчитывает несколько миллиардов лет, то первоначально существовавший на Земле технеций давным-давно отжил свой век и ныне должен считаться «вымершим» элементом. Однако на Солнце и некоторых звездах технеций обнаружен спектроскопически, что указывает на синтезирование его в процессе эволюции звезд.

Спутник платины

44. Рутений — Ruthenium (Ru)

История открытия этого элемента началась в России, когда в 20-х годах XIX столетия на Урале были обнаружены месторождения платины. Весть об этом открытии быстро облетела мир и вызвала много тревог и волнений на международном рынке. Среди иностранных спекулянтов ходили слухи о чудовищных самородках, о платиновом песке, который платиноискатели черпают прямо лопатами. Месторождения платины, действительно, оказались богатыми, и граф Канкрин, бывший в то время министром финансов России, дал распоряжение о чеканке платиновых монет. Монеты стали чеканить достоинством в 3,6 и 12 рублей. Было выпущено 1 400 000 платиновых монет, на которые израсходовали более 20 т самородной платины.

В год распоряжения Канкрина о чеканке монет профессор Юрьевского университета Озанн, исследуя образцы уральской платины, пришел к заключению, что платину сопровождают три новых металла. Один из них Озанн назвал полураном, второй — полином, а третьему в честь латинского названия России — Рутения дал имя — рутений. «Открытие» Озанна химики встретили с недоверием. Особенно протестовал шведский химик Берцелиус, авторитет которого в то время был поистине мировым. Возникший между Озанном и Берцелиусом спор взялся разрешить профессор химии Казанского университета К. К. Клаус. Получив в свое распоряжение небольшое количество остатков от чеканки платиновой монеты, Клаус обнаружил в них новый металл, за которым и сохранил название рутений, предложенное Озанном. 13 сентября 1844 г. Клаус сделал в Академии наук сообщение о новом элементе и его свойствах. В 1845 г. доклад Клауса под названием «Химические исследования остатков уральской платиновой руды и металла рутения» вышел в свет в виде отдельной книги. «…Малое количество изученного материала — не более шести граммов совершенно чистого металла — не позволило мне продолжать мои исследования», — писал Клаус в своей книге. Однако полученные данные о свойствах нового металла дали возможность Клаусу твердо заявить об открытии нового химического элемента.

Назад Дальше