Металлы и человек

Снова петляет машина по горной дороге… Сколько металлургических заводов в моей стране — не только всемирно известных гигантов, но и скромных предприятий, вроде этого, приютившегося среди гор! Разные металлы вырабатывают на них. И везде есть в технологическое процессе производства «белые пятна» — неиспользованные возможности, ибо каким бы высокосовершенным ни был технологический процесс, он всегда может быть еще усовершенствован.

И так же, как здесь, в Хайдаркане, в сердце Киргизских гор, пылает и на тех заводах творческая пытливая мысль, поднимая все выше техническое совершенство советской металлургии.

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.