С. И. Венецкий

                          О редких и рассеянных

                            Рассказы о металлах


  Рецензент проф. докт. техн. наук В. М. Розенберг

Оформление и рисунки художника А. В. КОЛЛИ
Редактор издательства М. Р. ЛАНОВСКАЯ
Художественный редактор А. И. ГОФШТЕЙН
Технический редактор В. А. ЛЫКОВА
Корректоры Ф. Б. ЦАЛКИНА, Л. М. ЗИНЧЕНКО
(c)Издательство "Металлургия", 1980
Отсканировал и вычитал Владимир Афанасьев

  В научно-популярной форме автор рассказывает об истории открытия,
свойствах и применении важнейших редких (в том числе и рассеянных)
металлов.
  Книга предназначена для самого широкого круга читателей: студентов,
преподавателей, учащихся, специалистов - всех интересующихся историей и
развитием металлургии, химии, материаловедения.

  ВЫ ПРОЧТЕТЕ:

- о кладах, рождающихся в наши дни, и о черной записной книжке -
свидетельнице великого научного подвига;
- об обещанной Наполеоном огромной премии, которую никто так и не получил,
и о том, как старые отвалы пустой породы оказались поистине бесценными;
- о странном газетном объявлении, сыгравшем роковую роль в судьбе
английского химика, и о тайне красных огней, тщательно скрываемой
бенгальскими жрецами;
- об элементе, исчезнувшем на нашей планете подобно динозаврам, и
неизвестных пока сплавах, предсказанных ЭВМ;
- о пропаже, которую вряд ли отыскал бы Шерлок Холмс, и о диагнозе,
поставленном Агатой Кристи;
- о том, как удалось определить возраст древних горных пород, и о
маленькой шведской деревушке, которой могут позавидовать крупные
государства;
- о металлах и сплавах, "командированных" в космос для проведения важных
экспериментов, и об "усах", вошедших в моду;
- о строгой ревизии, благодаря которой был открыт новый химический
элемент, и о металлическом облаке над Колумбией;
- о большой "обиде", нанесенной благородному металлу его "крестным отцом",
и красивых "визитных карточках" элементов;
- о помощи, которую оказывают некоторые металлы криминалистам, и о
многом-многом другом.

  ОБ ЭТОЙ КНИГЕ

  Мы живем в удивительное время: на наших глазах человек проложил первые
дороги в космос, овладел энергией атомного ядра, создал "мыслящие" машины,
проник в тайны живой клетки.
  Новые области науки и техники необычайно интересны. Но есть такая сфера
человеческой деятельности, которая хоть и стара, как мир, однако ничуть не
менее интересна, чем космонавтика или ядерная физика, кибернетика или
микробиология. Я имею в виду металлургию - производство и обработку
металлов, получение разнообразных сплавов.
  Когда-то, на заре цивилизации, люди были знакомы лишь с несколькими
металлами. Проходили столетия, становились известными все новые и новые
элементы. Постепенно расширялся и круг металлов, используемых человеком.
Одним металлам удалось довольно быстро завоевать признание ученых и
инженеров, другие - долгие годы не находили применения. Это "безделье"
объяснялось вполне уважительными причинами. Во-первых, содержание многих
металлов в земной коре весьма мало и добыть их чрезвычайно трудно;
некоторые из них вообще не имеют собственных минералов и встречаются в
природе только в виде примесей к другим металлам (такие "распыленные" по
свету элементы относятся к группе рассеянных). Во-вторых, наука до поры до
времени располагала скудной информацией о большинстве металлов. А
поскольку они были редкими гостями в промышленном мире, за ними и
закрепилось название редких.
  XX век ознаменовался бурным развитием техники. Приборостроению и
химической промышленности, авиации и ракетостроению, электронике и ядерной
энергетике потребовались совершенно новые материалы с уникальными
свойствами. Взоры ученых обратились к редким металлам. Тщательное изучение
этих "отшельников" показало, что многие из них обладают недюжинными
способностями. Тогда-то и началось наступление редких металлов "по всему
фронту".
  Сейчас уже, пожалуй, нет такой области новой техники, где бы в той или
иной степени не применялись редкие металлы, их сплавы или разнообразные
соединения. Так, из сплавов рения изготовляют торсионы - тончайшие и
вместе с тем необычайно прочные металлические нити, необходимые для
сверхточных навигационных приборов. Галлий используют для создания так
называемых жидких затворов в вакуумных аппаратах, для изготовления
высокотемпературных термометров и манометров. "Главное действующее лицо"
фотоэлементов дефектоскопов и других приборов - цезий. Гафний известен как
материал для регулирующих стержней ядерных реакторов: перспективно
применение этого металла в производстве жаропрочных сплавов для авиации и
ракетной техники. Тонкий слой индия, нанесенный на подшипники,
предохраняет их от эрозии и тем самым в несколько раз увеличивает срок
службы. Таких примеров можно привести множество.
  Некоторым редким металлам (в том числе и тем из них, которые относятся к
рассеянным элементам) посвящена эта книга. Ее можно рассматривать как
продолжение книги С. И. Венецкого "Рассказы о металлах" (3-е издание
выпущено издательством "Металлургия" в 1978 г.).
  Так же, как в своей предыдущей книге, автор не стремится сообщить читателю
сколько-нибудь систематические сведения о каждом из описываемых химических
элементов. Биографии редких металлов содержат немало любопытных фактов,
занимательных историй, курьезных событий. Познакомить читателя с ними,
рассказать о трудных путях, которыми шли ученые к важным открытиям,
поведать о тех нехоженых тропах, каких еще много в удивительном мире
металлов, - цель данной книги.
  Книга густо "заселена" реальными и вымышленными персонажами. На ее
страницах, наряду с видными учеными разных стран, упоминаются Наполеон и
Агата Кристи, Карел Чапек и Шерлок Холмс, старик Хоттабыч и Акакий
Акакиевич. Но занимательные сюжеты - это только фон, на котором автор
знакомит читателя с достижениями металлургии, физики, химии, с успехами
техники и технологии производства металлов, с новыми процессами,
материалами, приборами. Совсем недавно на борту научной орбитальной
станции "Салют-6" проводилась серия экспериментов по космическому
материаловедению, но и они уже отражены на страницах книги.
  Не один крупный ученый или инженер делал свои первые шаги к вершинам науки
и техники под впечатлением интересных научно-популярных книг. Убежден, что
и книга "О редких и рассеянных" поможет многим юношам и девушкам найти
ответ на едва ли не самый главный для них вопрос: "Кем быть?".
  Академик, лауреат Ленинской и Государственных премий, Герой
Социалистического Труда

  А. Ф. БЕЛОВ



  ТРИУМФ ВЕЛИКОГО ЗАКОНА (ГАЛЛИЙ)

  Не торопитесь с выводами! - Первая ласточка. - Ирония судьбы. - Фиолетовая
незнакомка. - Франция или петух? - Спор ученых. - Разные судьбы. -
"Дискриминации" не место. - Бедный родственник. - Богатства хранятся в...
отходах. - Галлий на ладони. - Пожар не состоится. - Лампы становятся
лучше. - Большой оригинал. - Вне всякой конкуренции. - "Не
по-товарищески". - Незаурядные способности. - "Не лыком шиты". - По
законам невесомости. - Почему светит Солнце?

  Когда в марте 1869 года Д. И. Менделеев поведал миру о том, что им открыт
периодический закон, которому неукоснительно подчиняются все химические
элементы, кое-кто из ученых встретил это сообщение в штыки. Даже
признанный корифей науки, каким по праву считался один из создателей
спектрального анализа немецкий химик Роберт Бунзен, поспешил язвительно
заметить: "Такого рода обобщений можно составить сколько угодно из
цифровых данных, помещенных в биржевом листке".
  Впоследствии Бунзен не раз, видимо, жалел о своем скором суждении, но в то
время Менделееву еще предстояло доказать свою правоту, и ученый с триумфом
сумел это сделать. Величие периодического закона заключалось в том, что он
не только обобщал уже известные науке сведения о химических элементах и
устанавливал для них строгий порядок, но и служил своеобразным компасом
для многотысячной армии экспериментаторов, пытавшихся отыскать в
безбрежном море химии неизвестные острова - новые элементы, новые кирпичи
мироздания. Гений Менделеева сумел предвидеть открытие более чем десятка
элементов.
  Первой ласточкой, принесшей весть о правоте великого химика, суждено было
стать галлию.
  В конце 1870 года, выступая на заседании Русского физико-химического
общества, Д. И. Менделеев сказал, в частности, что в пятом ряду третьей
группы должен находиться пока еще не открытый, но безусловно существующий
в природе элемент. При этом Менделеев очень подробно описал свойства
"эка-алюминия" (так ученый условно назвал этот элемент, поскольку в
таблице ему отводилось место под алюминием) и даже высказал уверенность,
"что он будет открыт спектральным исследованием". (Ирония судьбы: мог ли
Бунзен предположить, что разработанный им спектральный анализ сыграет с
ним горькую шутку - неопровержимо докажет ошибочность его скоропалительной
оценки периодического закона?)
Ждать пришлось сравнительно недолго. В 1875 году французский химик Поль
Эмиль Лекок де Буабодран. исследуя спектроскопическим путем цинковую
обманку - хорошо известный минерал, привезенный из местечка Пьерфитт в
Пиренеях, обнаружил фиолетовую незнакомку - новую спектральную линию,
свидетельствовавшую о том, что в минерале присутствует неизвестный
химический элемент.
  Но увидеть новую линию - это лишь полдела, теперь предстояло выделить из
минерала виновника ее появления в спектре. Задача была не из легких, так
как содержание искомого элемента в цинковой обманке оказалось крайне
незначительным. Все же химику сопутствовал успех: после многочисленных
опытов ему удалось получить крупицу нового металла - всего 0,1 грамма.
  Итак, трудности позади, а на повестке дня стоял уже следующий вопрос:
пользуясь почетным правом первооткрывателя, Лекок де Буабодран должен был
дать "новорожденному" имя. В честь своей родины ученый решил назвать его
"галлием" (Галлия - латинское название Франции). Правда, злые языки вскоре
стали поговаривать, что в этом слове химик хитро зашифровал намек на свою
фамилию: ведь "галлус" - по-латыни "петух", по-французски же петух-"ле
кок", ну, а отсюда до Лекока де Буабодрана, как говорится, рукой подать.
  Вскоре сообщение об открытии галлия было опубликовано в докладе
французской Академии наук. Когда Д. И. Менделеев ознакомился с ним, он
сразу понял, что речь идет о том самом эка-алюминии, которому уже было
уготовано место в его таблице элементов. В письме, адресованном
французской Академии наук, Менделеев сообщал: "...способ открытия и
выделения, а также немногие описанные свойства заставляют предполагать,
что металл-не что иное, как эка-алюминии".
  В самом деле, свойства теоретического эка-алюминия и реального галлия
удивительно совпадали. Расхождение оказалось лишь в плотности: по мнению
Менделеева, она должна была составлять около 6 г/см3, а Лекок де Буабодран
указывал другое значение - 4,7. Так кто же прав? Тот, кто никогда даже не
видел этот металл, или тот, кто не только держал его в руках, но и
проводил с ним различные исследования? Не впервые в истории науки теория
сталкивалась с практикой, мысль спорила с экспериментом.
  Чтобы доказать точность своих первоначальных данных, Лекок де Буабодран
снова выделил крупицы галлия, тщательно очистил их и подверг скрупулезному
исследованию. И что же выяснилось? Плотность галлия действительно была
близка к 6. Французский химик публично признал правоту своего русского
коллеги. "Не нужно, я думаю, указывать на исключительное значение, которое
имеет плотность нового элемента для подтверждения теоретических выводов
Менделеева", - писал тогда первооткрыватель галлия.
  Судьбы многих металлов довольно сходны. Но ведь и среди сотни знакомых вы
не найдете двух людей, чьи жизненные пути полностью бы совпадали, не
правда ли? То же самое можно сказать и о металлах. Даже у таких близнецов,
как, например, цирконий и гафний или тантал и ниобий, биографии оказались
совершенно разными. Однако начальная пора в жизни большинства металлов
протекала одинаково скучно: они терпеливо ждали того часа, когда для них
найдется, наконец, хоть какая-нибудь работа. Некоторым элементам повезло,
и спустя несколько лет после открытия они уже вели бурную деятельность;
для других период ожидания затянулся надолго. Одним из неудачников
оказался галлий.
  Прошло более полувека после того, как Лекок де Буабодран известил коллег,
что обнаружил новый металл, но промышленный мир не обращал на него ни
малейшего внимания. В 1929 году вышел 14-й том Большой Советской
Энциклопедии (1-е издание), в котором "использованию" галлия отведено
всего четыре слова: "В технике не применяется". И точка.
  Чем же объяснялась такая дискриминация? Неужели металл, сыгравший столь
блистательную роль в утверждении периодического закона, оказался больше ни
на что не пригодным? Неужели его миссия заключается только в том, чтобы
бесполезно заполнять 31-ю клетку таблицы элементов? Неужели он не обладает
ни одним свойством, способным заинтересовать конструкторов, изобретателей,
ученых"
Нет, дело тут не в свойствах галлия, которые, кстати сказать, весьма
любопытны и оригинальны (вы в этом вскоре убедитесь). Так, может быть, в
природе слишком мало этого элемента и отсюда все его беды? Но и на природу
жаловаться грех: галлия в земной коре содержится в десятки раз больше,
чем, например, тантала или вольфрама, в сотни раз больше, чем ртути или
серебра.
  Все дело в том, что, подобно некоторым другим так называемым рассеянным
элементам, галлий "не позаботился" о создании собственных месторождений.
Более того, он практически не имеет "персональных" минералов. Лишь
сравнительно недавно в юго-восточной части Африки был обнаружен первый
галлиевый минерал, который и получил название галлит. В нем содержится
почти 37% галлия. Обычно же этот элемент в едва заметных количествах
(сотые доли процента) пристраивается как бедный родственник главным
образом к алюминию, реже - к железу, цинку, меди и другим металлам. Как
выяснилось, сравнительно богата галлием зола каменных углей. Английские
ученые подсчитали, что каждая тонна угля, добытого на Британских островах,
содержит в среднем 5 граммов галлия. Всего-то? Но даже такая, казалось бы,
ничтожная концентрация этого элемента считается вполне достаточной для его
промышленного извлечения. (Все в мире относительно: железную руду, на
тонну которой приходится 300-400 килограммов железа, принято называть
бедной.) Зато и масштабы производства галлия, прямо скажем, невелики.
Первые 50 килограммов этого металла получили в Германии в 1932 году.
Спустя примерно четверть века производство галлия возросло лишь до 350
килограммов. И хотя сегодня счет идет на тонны, даже такой редчайший
металл, как рений, которого в земной коре содержится в десятки тысяч раз
меньше, чем галлия, по объему производства оставил его далеко позади.
  Главным источником получения галлия служат... отходы алюминиевого
производства. Но не торопитесь делать вывод, что галлий - дешевый металл.
Хоть на сырье и не приходится тратиться, сам процесс извлечения галлия
настолько сложен (чего стоит, например, хотя бы отделение его от
алюминия!), что он оказывается одним из самых дорогих металлов на мировом
рынке. В середине 50-х годов 1 килограмм галлия стоил 3000 долларов -
почти в три раза дороже золота! Подумать только: небольшой слиточек
металла, вполне умещающийся на ладони, - и такая солидная сумма!..
  Впрочем, как раз на ладони-то мы бы не советовали держать галлий, и вовсе
не потому, что ладонь - не очень надежное хранилище для ценнейшего
металла. Есть другая причина: тепла человеческого тела достаточно, чтобы
этот серебристый мягкий (его можно резать ножом) металл превратился в
жидкость. Температура плавления его необычайно низка - всего 29,8ёС. В
этом отношении он уступает только игривой ртути, которую способен
утихомирить лишь сорокаградусный мороз, и чуть-чуть - цезию, плавящемуся
при 28,5ёС. Галлий не стоит брать в руки еще и потому, что он довольно
токсичен (токсичнее ртути) - и общение с ним может привести к не очень
приятным последствиям.
  Благодаря низкой температуре плавления галлий - основной компонент многих
легкоплавких сплавов. Создан, например, сплав галлия (67%) с индием
(20,5%) и оловом (12,5%.), который даже при комнатной температуре не может
остаться твердым: он плавится при 10,6 ёС. Такие сплавы широко используют
в технике, в частности в устройствах пожарной сигнализации. Стоит воздуху
в помещении слегка нагреться, как столбик галлиевого сплава,
вмонтированный в реле, начинает таять - жидкий металл замыкает
электрические контакты и звуковой или световой сигнал возвещает об
опасности. Такой прибор надежнее любого вахтера.
  Легкоплавкие галлиевые сплавы (как и сам галлий) обладают еще и
способностью хорошо смачивать твердые материалы, благодаря чему их успешно
применяют вместо ртути для создания жидких затворов в вакуумной
аппаратуре. Галлиевые затворы надежнее сохраняют вакуум, чем ртутные.
  Сплавы галлия с индием и оловом служат в качестве смазок и прокладок при
соединении деталей из кварца, стекла и керамики, для склеивания этих
материалов под давлением. Галлийиндиевый сплав, нанесенный на поверхность
подшипников, заметно продлевает срок их службы. Мы уже говорили, что
галлий весьма токсичен, однако в компании с никелем и кобальтом он не
проявляет свой ядовитый характер; из сплава этих элементов зубные врачи
изготовляют пломбы высокого качества.
  В медицине широко применяют лампы ультрафиолетового излучения, катоды
которых раньше обычно делали из ртути. Сплав алюминия с галлием лучше
ртути справляется с этой работой: излучаемый лампами свет богаче целебными
лучами.
  Большинство металлов плавится и застывает при одной и той же температуре.
Уникальное свойство галлия - его "умение" длительное время (многие
месяцы!) не затвердевать в переохлажденном состоянии. Так, если капельку
его вылить на лед, галлий еще долго будет оставаться в расплавленном виде.
Зато, когда он все же затвердеет, объем металла заметно возрастет, поэтому
нельзя заполнять жидким галлием металлические или керамические сосуды -
они разорвутся при затвердевании металла. Обычно его хранят либо в
небольших желатиновых капсулах, либо в резиновых баллончиках. Эту
характерную черту галлия (все прочие металлы, кроме сурьмы и висмута, как
известно, при переходе из жидкого состояния в твердое "худеют") предложено
использовать в установках для получения сверхвысоких давлений.
  Главное же достоинство галлия в том, что он остается жидким в огромном
интервале температур, значительно большем, чем у любого другого
легкоплавкого металла. Расплавленный галлий начинает кипеть лишь после
того, как температура достигнет 2230 ёС. Именно эта поистине удивительная
способность галлия предопределила его важнейшее амплуа в технике -
изготовление высокотемпературных термометров и манометров. Галлиевые
термометры позволяют измерять такую высокую температуру (более 1000 ёС),
при которой ртутным термометрам, как говорится, нечего делать: ведь ртуть
закипает уже при 357 ёС.
  Легкоплавкость в сочетании с широким интервалом существования расплава
делают галлий потенциальным теплоносителем для атомных реакторов. Однако
жидкий галлий ведет себя явно не по-товарищески по отношению к тем
конструкционным материалам, которые могли бы окружать его в реакторе: при
повышенных температурах он растворяет и тем самым разрушает большинство
металлов и сплавов. Агрессивность мешает галлию занять ответственный пост
теплоносителя (в этой роли сейчас обычно выступают натрий и калий). Но,
возможно, ученым удастся найти на него управу: так, уже установлено, что
тантал и вольфрам легко переносят контакт с галлием даже при 1000ёС.
Любопытно, что небольшие (до 5%) добавки "едкого" галлия к магнию повышают
его антикоррозионные свойства, а заодно и прочность.
  Интересна еще одна особенность галлия: величина электрического
сопротивления его кристаллов сильно зависит от того