Страница 57 из 83
Задача разделения их — нелегка. Многие минералы, как известно, можно разделить по удельному весу, подбирая такие растворители, в которых одни всплывают, другие остаются на дне. Здесь этот метод не годился: удельные веса компонентов слишком близки. Изучение свойств составных частей сложной смеси минералов, содержащих цирконий, дало решение проблемы: все они обладают разными магнитными свойствами. Это позволило применить магнитную сепарацию.
Концентрат циркона, содержащий лишь небольшие количества примесей, частично используется в керамической промышленности, частично в качестве огнеупоров. Из него же выплавляют и металлический цирконий. Темпы роста производства циркониевых концентратов очень велики — от 4500 тонн в 1940 году до 90 000 тонн в 1955 году и 143 тысяч тонн в 1959 году (без СССР). Выплавка металла, составляющая в 1955 году около 1000 тонн, к 1959 году выросла втрое.
Металлический цирконий получают так: смесь циркона спекают при 650–670 градусах с кремнефтористым калием. При этом выделяется SiO2, a Zr занимает место кремния: ZrSiO4 + K2SiF6 = 2SiO2 + K2ZrF6. Полученную соль растворяют в воде, а затем кристаллизуют. Эту соль можно восстановить металлическим натрием или, превратив в ZrCl4, выделить металлический цирконий действием магния.
Очищают цирконий, как и титан, йодидным методом. Впрочем, оговоримся сразу: таким методом цирконий нельзя очистить от его «тени» — гафния, который на протяжении всего описанного процесса следует за ним.
Примесь гафния — от 1 до 3 процентов — иногда не мешает использованию циркония. Ведь если говорить об устойчивости против коррозии, то она велика у обоих «близнецов». Механические свойства также примерно одинаково хороши. Однако в атомной промышленности, которая как раз предъявляет заявку на цирконий и его сплавы, примесь гафния сводит на нет все замечательные качества циркония: если последний практически «прозрачен» для инициаторов ядерной реакции — нейтронов, то гафний жадно поглощает их, и атомная промышленность требует тщательного отделения гафния.
В настоящее время эта сложнейшая задача успешно решена наукой и техникой.
Гафний наряду с цирконием используется в радио- и рентгенотехнике и атомной промышленности, однако неизмеримо меньше. Мировое производство гафния в 1959 году составляло лишь 30 тонн.
Теперь нам предстоит познакомиться еще с одной парой «близнецов» — с ниобием и танталом.
История открытия ниобия очень интересна. Настоящие ученые всегда немного поэты. Правда, в строгих рамках научных статей это увидеть трудно. Но вот перед нами письмо, написанное одним знаменитым химиком другому по поводу открытия нового элемента, который мы теперь называем ниобием.
Берцелиус — Вёлеру:
«Посылаю тебе обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. „Ты титан?“ — спрашивал я. Он отвечал: „Вёлер же тебе сказал, что я не титан“. Я также установил это. „Ты цирконий?“ — „Нет, — отвечал он. — Я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля“. — „Ты олово?“ — „Я содержу олово, но очень мало“. — „Ты тантал?“ — „Я с ним родствен, — отвечал он. — Но я постепенно растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым“. — „Ну что же ты тогда за дьявольская вещь?“ — спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: „Мне не дали имени“. Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос…»
Если тантал начал входить в технику довольно давно (именно из тантала делали спирали электролампочек, пока его не вытеснил более дешевый вольфрам), то ниобий долгое время считали лишь вредной примесью к танталу. Получался парадокс, один из тех, которыми так богата история техники: ниобий более распространен, чем тантал, а добывали его намного меньше. Большие количества ниобия выбрасывали в отвал при добыче не только тантала, но и олова. Так были созданы руками людей настоящие залежи ниобиевых руд, которые впоследствии стали перерабатывать.
Ниобий привлек внимание лишь лет 20 назад, когда выяснилось облагораживающее влияние небольших добавок его на стали. И если в 1936 году во всем мире было всего 30 килограммов металла, то производство 1943 года достигло 1100 тонн и неуклонно растет. Подобно цирконию, для получения ниобия и тантала можно восстанавливать натрием их комплексные соли.
Можно идти и по пути, проложенному алюминием: подвергать электролизу смесь K2TaF7 и Та2O5.
Нужно сказать, что, подобно титану и цирконию, ниобий и тантал сильно поглощают газы при нагревании. Все эти элементы используют в качестве геттеров, нанося их на детали радиоламп. При откачивании таких ламп вакуум-насосами в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Геттеры, поглощая эти газы, обеспечивают в лампах очень высокий вакуум. Так, тантал при 800 градусах способен поглотить 740 объемов газов!
Из-за этого свойства и из-за большой тугоплавкости обработку этих металлов ведут методами порошковой металлургии: порошок их прессуют и спекают в вакууме ниже температуры плавления, проковывают, затем снова спекают и подвергают холодной обработке.
Что же определяет ценность наших металлов в технике? Если сказать коротко — уникальность свойств ниобия и тантала, особенно последнего.
Мы не имеем возможности даже коротко рассказать обо всех многообразных применениях ниобия и тантала и их соединений (это касается, конечно, и других металлов, о которых шла речь). Поэтому отметим свойства, по которым наши металлы не имеют себе равных.
Наверно, вам уже прожужжало все уши слово «коррозия». Но не случайно мы упоминали о ней, говоря почти о каждом металле, потому что борьба с коррозией — одна из важнейших проблем техники.
Металлы по их стойкости к коррозии приблизительно располагаются так:
Подъем на каждую следующую ступеньку означает огромную победу техники. И на вершине этой лесенки по праву стоит тантал. Судите сами: он не боится хлора, не растворяется в кислотах, включая «царскую водку», как известно, потому и названную так, что против нее не может устоять даже «царь металлов» — золото.
Тантал выдерживает чудовищные испытания: при 200 градусах в 70-процентной азотной кислоте он не корродирует вовсе, а в серной кислоте — только на 0,4 миллиметра в год. Совсем не действуют на него соляная и фосфорная кислоты и другие агрессивные вещества.
Не удивительно, что за последние 20 лет использование тантала в химическом машиностроении выросло в 13 раз. На заводах по производству соляной кислоты аппаратура из тантала работает без ремонта больше 20 лет.
Ниобий менее устойчив, однако для некоторых целей он даже более пригоден, чем тантал. Очень интересно, что при использовании ниобия для изготовления аппаратуры и трубопроводов в производстве соляной кислоты он не просто устойчив и потому хорош: он катализирует реакцию, так что выход соляной кислоты при прохождении через систему увеличивается.
У тантала есть еще одна уникальная специальность — медицинская. Он прекрасно «уживается» с живыми тканями, поэтому пластинки из тантала применяются взамен поврежденных костей черепа, для скрепления костей при переломах. В нашей стране созданы приборы для автоматического сшивания кровеносных сосудов. Они могут работать лишь благодаря использованию танталовых скрепок. Тонкими танталовыми нитями можно сшивать даже сухожилия и нервы…
Конечно, все новые металлы пока еще очень дорогие. Поэтому их приходится «разбавлять» обычными, более дешевыми.
Вместе с никелем, кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, бором, алюминием новые металлы дают прекрасные сплавы с широким выбором свойств.