НА ПРОСТОРАХ ХИМИЧЕСКОЙ АНТАРКТИДЫ.
Поговорим о романтике, о романтике неизвестного, романтике открытия.
Отправляется географическая экспедиция… Воображение сразу рисует себе белые пятна на карте, неведомые горные вершины, таинственные племена туземцев, хищных зверей, опасности и приключения, приключения, приключения…
Собираются в путь ботаники. Придирчиво рассматривают они свое мудреное снаряжение. Каждая травинка, каждый цветок должны быть тщательно рассмотрены под микроскопом, должны быть описаны со скрупулезной дотошностью опытного нотариуса. Ботаникам предстоит открыть новые растения, целебные травы, неизвестные дотоле деревья.
Готовятся к отъезду и непоседы геологи. У этих впереди — не увеселительная прогулка! Днями, а быть может, и месяцами должны будут они пробираться неведомыми дорогами, заросшими тропами, а то и вовсе по бездорожью к месторождениям полезных ископаемых. Трудно не позавидовать геологам. Ведь даже путевой дневник экспедиции, куда вносятся лишь самые скупые сведения о ходе работы в исследовательской партии, читается зачастую увлекательнее, чем приключенческий роман.
Снаряжаются и океанографы. Они имеют все основания быть самыми сосредоточенными и озабоченными. Ведь они исследуют морские глубины. И каждый из них втайне надеется вытащить со дна океанского невероятное чудище. А морские глубины таят в себе много неожиданного…
Есть отрасли науки, работникам которых требуется ежедневно преодолевать большие трудности, требуется умение концентрировать всю свою волю, все свои способности, умение бесстрашно преодолевать любые препятствия, будь это неприступная вершина или заросли тропических джунглей.
Не сомневаюсь, что если бы я причислил сюда химиков, то многих это попросту развеселило.
«Тоже нашел романтиков! — смеясь говорили бы они. — Сидят в лабораториях, перелизают из одной склянки в другую, а возвращаясь с работы, кутаются поплотнее в шарф, чтобы ненароком насморк не схватить».
А теперь давайте поговорим серьезно. Поговорим о романтике химических исследований.
Вот я, химик, не завидую географам. Пожалуй, на географической карте уже не осталось белых пятен. Даже горные кряжи далекой от всех Антарктиды нанесли на карту неутомимые исследователи. Да и есть ли теперь недоступные места на нашей планете, если в любой район земного шара можно прилететь за 15–20 часов, ну самое большее за сутки? Имеются, конечно, районы, которые требуют более подробного изучения. Но белых пятен — нет!
Что и говорить, интересна работа ботаников! Но много ли новых открытий ждет их? Сотни тысяч растений известны науке. И в наши дни любое новое растение является событием чрезвычайной важности. Составлены подробнейшие толстые атласы, в которых зарисованы все известные растения и описаны их свойства. На этих картах нет уже белых пятен.
Почти то же самое я мог бы сказать и о геологах и даже об океановедах (да, да: ведь уже найдено самое глубокое место в Мировом океане!). Но к чему нам обижать эти профессии? Напротив, они заслуживают глубокого уважения. Сейчас же надо отметить, что химики «на равной ноге» могут разговаривать с географами, ботаниками, геологами и представителями других профессий, считающихся безусловно «романтическими». На карте химии белых пятен во много раз больше, чем на картах географических, ботанических, океанологических и иных картах «романтических» наук.
«Позвольте, какая же в химии может быть карта?» — спросит читатель. Оказывается, что есть такая карта — карта, без которой невозможно продвижение по извилистым и ухабистым дорогам современной химии. Эта карта — Периодическая система Д. И. Менделеева. А по количеству белых пятен она намного превосходит любую, даже самую подробную карту нашей планеты.
Для географов времена путешествий наобум, по принципу «авось что-нибудь встретится, может быть, на что-либо интересное натолкнемся» — прошли еще лет четыреста назад. Уже тогда люди научились более или менее правильно ориентироваться в своих передвижениях по планете, узнали расположение главнейших материков и морей. Иное положение было в химии. Там ученые «путешествовали» без карт еще какую-нибудь сотню лет назад.
… Только увидев не успевшие еще пожелтеть страницы журнала, где Дмитрием Ивановичем Менделеевым было опубликовано первое сообщение о Периодической системе элементов — одном из величайших открытий в истории человечества, понимаешь, что это открытие произошло, в сущности, не так давно. Действительно, девяносто лет — это совсем небольшой срок, который представляется совсем уж малым, если вспомнить, что принесли эти годы химии.
Однако ощущение «давности» закона Менделеева присуще, наверное, каждому химику. Это понятно, так как почти все крупнейшие научные обобщения в химии возникли лишь после создания Периодического закона. Они просто не могли возникнуть раньше. Потому что именно благодаря этому закону химики, так же как и географы, получили свою карту.
Посудите сами: мог ли даже самый отчаянный капитан проплыть без карты из Мурманска, скажем, в Сан-Франциско? А ведь химики до открытия Менделеева были еще в более трудном положении, чем этот капитан. Они не только не имели карты — они не знали, куда вообще следует «плыть», в каком направлении вести исследования, чтобы достичь необходимых результатов.
Действительно, посмотрим, как развивались представления химиков об их химическом мире.
В древности люди применяли в своей практической деятельности соединения всего девятнадцати элементов. Но это применение было, так сказать, несознательное. Если на минуту предположить, что мы имели бы возможность задать какому-нибудь древнеримскому ученому вопрос, сколько, выражаясь по-нашему, химических элементов ему известно, то он, морща лоб и загибая пальцы, вряд ли смог бы перечислить более шести-семи наименований: золото, медь, серебро, железо, олово, свинец, сера. Вот, пожалуй, и все. Остальные элементы применялись не в явном виде, а в соединениях, и о них, естественно, наш воображаемый древнеримский собеседник ничего знать не мог. Как видим, химический мир для древних был так же ограничен, как и их познания о мире географическом.
К сожалению, расширение человеком химических владений шло гораздо медленнее, чем развитие географии. Двенадцать веков нашей эры прибавили к перечисленным выше пяти элементам только шесть наименований. Итого одиннадцать. Это в XII–XIII веках. А ведь совсем «незадолго» до этого, в VIII–IX веках, была популярной следующая алхимическая песня-заклинание:
…Семь металлов создал свет
По числу семи планет…
В позднее средневековье темпы открытия новых элементов не стали более быстрыми. К началу XIX века науке был известен 31 химический элемент. В XIX веке дело пошло несколько веселее. К середине прошлого столетия любой достаточно эрудированный ученый мог уже перечислить названия шестидесяти известных к тому времени химических элементов.
Итак, шестьдесят… А сколько их должно быть всего? Сто? Двести? Или, быть может, все открыты? Кто мог это сказать?
Ответил на эти вопросы Дмитрий Иванович Менделеев. Он первый нанес на «карту химии» — Периодическую систему элементов — «белые пятна», те элементы, которые еще не были к тому времени открыты. Мы знаем, как благодаря этой карте химики уверенно заполнили все пустые клетки таблицы Менделеева. Белых пятен как будто бы не осталось…
Где-то я видел географическую карту, на которой отмечалась степень изученности тех или иных областей нашей планеты. Хорошо изученные области, вроде Подмосковья, были окрашены в темно-зеленую краску. Но таких областей было немного. Районы, изученные меньше, были окрашены светло-зеленой краской. Этой краской было покрыто большинство суши земли. Плохо изученные области были окрашены в желтую краску. Желтых пятен было немного: Гималаи, Гренландия, бразильские тропики — вот, пожалуй, и все. И лишь одна Антарктида была обозначена белой краской. Только вдоль берегов этого материка вилась тоненькая полоска желтой краски. Впрочем, это было несколько лет назад. Теперь, после того как ученые многих стран по программе Международного геофизического года занялись изучением этого материка, Антарктида безусловно «заслужила» право по крайней мере на желтую краску.
А что, если попробовать разукрасить подобным образом таблицу Менделеева? Картина получится совсем иная. Густо-зеленой краски на ней не будет вовсе. Немного будет и светло-зеленых клеток: это элементы кислород, сера, хлор, железо, кремний, калий, натрий, плутоний — вот, пожалуй, и все. Зато желтых клеток будет столько, что, если отойти на несколько шагов и взглянуть на таблицу, она будет походить на канареечное оперение. Да, да, большинство элементов Периодической системы изучены довольно плохо. Более того, мы можем заметить немало клеток, которые, подобно Антарктиде на географической карте, контуры которой очерчены желтой краской, — это малоизвестные элементы.
Здесь уместно вспомнить об одном многотомном справочном издании. Это так называемый справочник Гмелина. В справочнике собраны сведения о всех химических элементах и их неорганических соединениях. Это, конечно, не справочник в обычном смысле. Его не положить в карман. Даже в портфель он не вместится. Удивляться этому не приходится: справочник состоит почти из сотни томов. Каждому элементу посвящен отдельный том. Глядя на корешки этих томов, можно точно представить себе, что нам известно о том или ином элементе. В то время как одни тома имеют такую толщину, что их необходимо снимать с полок, краснея от натуги, другие больше походят на тонкую ученическую тетрадку.
Как видим, «Антарктид» на химической карте много больше, чем на карте Земли. Да, есть куда направить свои корабли капитанам химических исследований!
Дом — Периодическая система
Итак, химические элементы, известные нам, изучены далеко не в равной степени. И сразу же после этой фразы всплывает вопрос: почему химические элементы изучены по-разному? Почему некоторым элементам посвящены многотомные издания, а сведения о других могут уместиться на десяти — пятнадцати строках книги среднего формата? По-че-му?
Уверен, что многие читатели уже приготовили свое «потому». Послушаем их:
«Потому, — скажут они, — что химические элементы были открыты в разное время. Конечно же, железо, которое было известно людям с незапамятных времен, должно быть изучено лучше, чем гафний например, который открыт несколько десятилетий назад».
Ответ этот будет правильным лишь до некоторой степени. Если посмотреть на таблицу, в которой приведены годы открытий химических элементов, то несостоятельность этого объяснения станет очевидной. В самом деле, элемент иттрий, например, был известен еще в XVIII веке.
А между тем этот элемент изучен гораздо хуже, чем открытые в XIX веке магний или натрий. Тантал был открыт на одиннадцать лет раньше йода — в 1800 году. Степень же изученности этих двух элементов не может быть даже сравнима. В то время как о свойствах йода и его соединений написано множество книг, все сведения о тантале составили ь лучшем случае одну тоненькую брошюрку.
В перерыве одного из химических совещаний, происходивших несколько лет назад, мое внимание привлек оживленный разговор. Несколько немолодых и очень уважаемых ученых, перебивая друг друга, обсуждали что-то, ведя торопливый подсчет на оборотных сторонах программок совещания. На этот раз их увлекли не научные проблемы. Оказывается, речь шла о том, соединения скольких химических элементов видел за свою жизнь каждый из них. Первенство в этом необычном соревновании занял один профессор, который в разное время своей деятельности держал в руках соединения шестидесяти элементов. Символами этих элементов была густо исписана программа, а по лицам собеседников можно было заметить, что они считают это число более чем внушительным.
Шестьдесят элементов… Но ведь это немногим больше половины известных нам «кирпичиков» материального мира! Неужели человек, всю свою жизнь посвятивший химии, и тот не видел соединений всех элементов?!
Мы подходим к истинной причине того, почему различные химические элементы изучены в различной степени.
Все дело, оказывается, в том, в каком количестве находятся элементы в земной коре (под корой в данном случае понимают литосферу — материки, гидросферу — океаны, моря и реки и атмосферу — воздушную оболочку нашей планеты).
Вообразим себе многоэтажный дом, населенный химическими элементами. Каждый элемент занимает в нем площадь сообразно содержанию его в земной оболочке.
Какая картина представится нам?
Почти половину этого дома будет занимать кислород. На его долю придется 47,2 % всей жилой площади. Именно такова доля кислорода в весе земной коры. Больше четверти помещений нашего воображаемого здания находится в ведении кремния. 27,6 % веса земной коры приходится на долю этого элемента. Итак, три четверти помещений занято двумя «капиталистами» — кремнием и кислородом. Остальная четверть приходится на 89 естественных химических элементов!
Но и эта четверть распределена «несправедливо». 8,8 % веса земной коры приходится на железо, 3,6 — на кальций. А всего имеется восемь элементов, содержание которых в земной коре выражается в процентах числами, имеющими перед запятой число больше нуля.
81 элемент живет всего на 0,4 % жилой площади этого дома, который как бы воплощает «несправедливость» природы. По сути, большинство элементов Периодической системы ютится в тесном чулане дома, основная площадь которого занята восемью элементами-гигантами.
Итак, причина различной изученности химических элементов ясна: неодинаковое нахождение их в земной коре. Те элементы, содержание которых больше, изучены лучше, те, которых меньше, исследованы хуже. Вот и все. Ответ ясен, и нечего здесь больше об этом говорить.
Что и говорить, вывод, конечно, верный. Верный, но… говорят, что вся наука состоит в основном из «но». Это, разумеется, не более чем шутка. Однако такое «но» имеется и в нашем случае.
Посмотрим на таблицу содержания элементов в земной коре более внимательно. Вот хотя бы элемент скандий — очень редкий элемент. Мало кто из химиков может похвалиться, что видел соединения скандия. Действительно, содержание его в земной коре очень мало: всего шесть десятитысячных долей процента. Соседним по списку в таблице является серебро. Разумеется, это тоже довольно редкий металл, но, конечно, не такой, как скандий. Это очевидно каждому. Ведь все согласятся, что с серебром в быту приходится иметь дело довольно часто. Наверное, не найдется ни одного дома, где не было бы серебряной ложечки или хотя бы самой ничтожной безделушки из серебра. Наконец, уж наверное, у каждого человека имеются фотографии. А ведь поверхность любой фотобумаги покрыта соединениями серебра.
Оказывается, что содержание серебра в земной коре составляет одну стотысячную процента — в шестьдесят раз меньше, чем скандия.
Элемент галлий и сейчас принадлежит к числу самых редких элементов. Только в последние годы некоторые химические лаборатории (число которых пока еще не очень велико) получили в свое распоряжение соединения галлия. Но таблица содержания элементов неопровержимо свидетельствует, что этого элемента в земной коре находится в двести (200!) раз больше, чем обычной и всем хорошо известной ртути.
Полупроводниковый элемент германий сейчас общеизвестная «притча во языцех». О редкости этого элемента говорят и пишут повсеместно. А ведь германия в природе в двадцать раз больше, чем обычного и совсем недорогого йода.
По-видимому, примеров достаточно. И так ясно, что «редкостность» элемента и его содержание в земной коре — понятия далеко не тождественные. Большое значение имеет еще доступность элемента.
Элементы земной коры находятся в концентрированном состоянии — в рудах или в виде постоянной примеси к каким-либо минералам. Другие находятся, образно говоря, в «размазанном» состоянии. Олово и иттрий содержатся в земной коре приблизительно в одинаковом количестве. Но в то время как для олова известны месторождения минерала касситерита, иттрий не имеет своих руд, а встречается в виде крайне незначительных примесей к самым разнообразным минералам В этом и есть настоящая причина того, что иттрий изучен много хуже, чем олово.
Теперь ясно, что подавляющее большинство химических элементов встречается в земной оболочке в чрезвычайно малых количествах. Чтобы выделить соединения многих из этих элементов, приходится прибегать к манипуляциям, которые очень напоминают описанные в предыдущих главах. Итак, снова цифры после запятой, снова бесконечно малые величины, снова поиски большого в малом…
Срытый двор
Здесь небезынтересно будет рассказать о неприятной истории, которая произошла в одном из исследовательских институтов, истории/закончившейся, к счастью, благополучно.
В каждом научном учреждении есть несколько сейфов, где хранятся приборы из серебра и платины, соли золота и других драгоценных металлов. Были такие сейфы и в том институте, о котором идет речь. На один из сейфов сотрудники неизменно поглядывали с большим уважением. Еще бы! В нем хранилось четверть грамма радия — количество непомерно большое, учитывая редкостность этого металла.
Всем интересующимся охотно рассказывали, что радий находится там не в виде металла, а в виде азотнокислой соли, растворенной в некотором количестве воды. Раствор, разумеется, был помещен в толстый сосуд из свинца, который задерживает испускаемые радием лучи. Радий настолько был необходим для проведения различных научных исследований, что сотрудники института записывались у заведующего лабораторией в очередь, с нетерпением ожидая того дня, когда им можно будет приступить к опытам.
Несчастье произошло тогда, когда институт переезжал в новое, специально выстроенное для него здание. Все сотрудники были охвачены суетой переезда. Они торопливо упаковывали в плохо пригнанную тару научную аппаратуру, сбивая пальцы, выпрямляли искривленные гвозди, не совсем умело помогали бригаде грузчиков. Всем хотелось поскорее развернуть работу в новом здании.
Только этой суматохой можно объяснить (но не оправдать!) то, что заведующий лабораторией вышел из комнаты добывать очередную партию вечно дефицитных гвоздей и оставил сейф открытым. Ведь он шел «всего на одну минутку»! Одна минутка затянулась на десять. А этих десяти минут вполне хватило на то, чтобы произошло…
В комнату вошел один из грузчиков. Почти все ящики были уже вынесены. Лишь в углу стояло два больших тюка, ухватить которые ему одному было не под силу. Чтобы не терять времени зря, грузчик решил снести вниз металлический цилиндр, который он заметил в распахнутом сейфе. Цилиндр оказался довольно тяжелым. В нем что-то переливалось. Грузчик отвинтил крышку и увидел, что в цилиндр налита какая-то жидкость. «Должно быть, спирт», — с уважением подумал он. Но жидкость ничем не пахла, а вернее всего, по наметанному глазу грузчика, который в этих делах разбирался тонко, — была водой.
Когда заведующий лабораторией впоследствии представлял себе, что произошло в последующие полминуты, он жмурился и тряс головой, как будто бы ему лили за шиворот ледяную воду. За эти полминуты грузчик, приняв молниеносное решение, быстро подошел к окну и вылил содержимое цилиндра во двор института. Затем он завинтил крышку и неторопливо понес цилиндр вниз, в машину.
Спустя полчаса грузчик клялся всеми известными ему клятвами, что он отродясь не слыхивал ни про какой радий и вообще он был уверен, что выливает воду.
Через два дня во дворе института появились экскаваторы. Вся земля была погружена на самосвалы и отправлена на завод по переработке радиевых руд. Руководители необычных «спасательных» работ дорожили каждой крупинкой глинистой почвы, которая раньше была двором института. Дело в том, что эта почва была более богата радиевой «рудой», чем любая, которую им когда-либо приходилось видеть.
Радий благополучно был извлечен из почвы и снова возвращен институту. Стоит ли говорить, что отвечать за хранение этого драгоценного металла было поручено уже не рассеянному заведующему лабораторией, а другому сотруднику?!
Быть может, эта история до некоторой степени поможет читателю представить себе, с какими трудностями приходится сталкиваться исследователям и работникам промышленности, работающим в области добычи редких элементов.
Радий — один из самых редких металлов. Настолько редкий, что почва громадного двора, пропитанная раствором всего четверти грамма соли радия, кажется в высшей степени обогащенной им. При получении этого элемента приходится иметь дело с гораздо более бедными рудами.
Но есть элементы, которые ненамного отстали от чемпиона редкостности — радия. Вот хотя бы металл рений. Мы еще будем вести подробный разговор об этом элементе, который с каждым годом все увереннее и увереннее входит в современную технику. Чтобы добыть один килограмм рения из самых богатых этим металлом руд, надо переработать такое количество их, для перевозки которого потребуется шестьсот железнодорожных вагонов!
Галлий в настоящее время добывают — в промышленном масштабе — из золы некоторых сортов каменного угля. Если галлия в этой золе содержится больше чем две тысячных процента— двадцать граммов в одной тонне! — то такая зола уже считается отличным исходным материалом для получения галлия.
Почти то же самое можно сказать о всех остальных элементах, которым природа отвела лишь тесную и неуютную каморку в доме химических элементов — земной коре.
Быть может, прочтя об этом, некоторые скажут так:
«Ну что ж, на природу обижаться не приходится. Если редких элементов так мало, то, как говорится, бог с ними. Мы же можем обойтись теми элементами, которые природа представила в наше распоряжение с избытком».
Заключение это неправильно прежде всего потому, что редкие и поэтому малоизученные химические элементы таят в себе такие неожиданности, которым подивились бы даже богатые воображением авторы научно-фантастических произведений.
В этой главе мы расскажем о том, что дало науке и технике подробное исследование свойств некоторых из малоизученных прежде химических элементов. На примере этих элементов можно будет достаточно четко представить себе, что сулят науке и технике экспедиции в малоисследованные просторы «химической Антарктиды».
Вряд ли стоит в каждом отдельном случае рассказывать, каким образом удается выделять соединения того или иного редкого элемента. Все методы, к которым приходится прибегать, сильно смахивают на те, которые мы описывали в предыдущих главах. Гораздо важнее другое: свойства этих элементов и применение, которое они находят сейчас или получат в ближайшем будущем.
Легчайший
Если бы мне пришлось делать мультипликационный научно-популярный фильм о химических элементах, я бы обязательно сочинил смешную, но поучительную историю о том, как элементы устроили спортивные состязания. Мы бы увидели, как «сражается» с элементами чрезвычайно активный фтор. Немало веселых кадров доставили бы нам неповоротливые лентяи — инертные газы. Вихрем носился бы по полю маленький и юркий водород. Истекала бы тяжелыми слезами плакса ртуть. Увесисто ступая, ходил бы тяжеловес уран.
Почти наверняка по числу рекордов первое место в этом соревновании занял бы элемент литий. Литий обладает самым меньшим атомным весом среди всех известных нам металлов. Да и то сказать: ведь только два элемента Периодической системы — газы водород и гелий — имеют атомные веса меньше, чем у лития. Вторым рекордом лития является его плотность. Она в 15 раз меньше, чем у железа, и вдвое меньше, чем у дерева. Суда, сделанные из лития, обладали бы исключительной грузоподъемностью… если бы только этот металл не соединялся энергично с водой. Автомобиль, сделанный из лития, смогли бы свободно поднять два подростка, если бы только металлический литий не соединялся энергично с кислородом и азотом воздуха.
Третье «достижение» лития — громадное различие между температурами плавления и кипения — почти 1200°. Сравните эту цифру с аналогичной величиной для воды, где она равна всего 100°. В-четвертых, литий обладает феноменальной особенностью соединяться со многими элементами, в том числе даже с таким «гордецом», как азот.
В-пятых… Впрочем, перечисленного будет достаточно, чтобы можно было признать за литием право занимать во всех отношениях выдающееся место среди других элементов Периодической системы.
Но тем более скромной представляется та роль, которую до самого недавнего времени играл литий и его соединения в промышленности. Причина этого лежит в том, что свойства редкого металла лития не были изучены в достаточной степени. Впрочем, сейчас литий может считать себя вознагражденным с избытком.
Никто, разумеется, не пытался подсчитать, о каком химическом соединении сейчас больше всего пишут в научных журналах. Да и что полезного может дать этот утомительный и кропотливый подсчет? Но если бы все же такая работа была проделана, то я не сомневаюсь, что первое место занял бы гидрид [Гидридами называются соединения элементов с водородом] лития.
Давно было известно, что литий может соединяться с водородом, образуя соединение, называемое гидридом лития. Это соединение интересно тем, что один килограмм его содержит без малого полторы тысячи литров водорода. Водород легко выделяется, если гидрид бросить в воду. Но кто мог еще несколько лет назад предполагать, что гидрид лития станет самым мощным из всех когда-либо известных людям взрывчатых веществ? И, уж наверное, никто не смог бы предсказать, что с помощью этого простого химического соединения ученые смогут воссоздать на Земле процессы, которые до этого времени протекали лишь на Солнце.
Собственно говоря, речь идет не о гидриде, а о дейтериде лития: соединения лития с тяжелым изотопом водорода — дейтерием. Однако с химической точки зрения разницы между этими веществами нет никакой. Дейтерид лития является основой заряда так называемых водородных бомб. При срабатывании уранового или плутониевого запала возникает высокая температура, под действием которой начинается ядерная реакция. Литий и дейтерий, соединяясь друг с другом, превращаются в элемент гелий. При этом высвобождается колоссальное количество энергии.
Подобная реакция — превращение водорода в гелий — является источником энергии Солнца. Ежесекундно на Солнце 570 миллионов тонн водорода превращаются в 566 миллионов тонн гелия. Запасы водорода на Солнце столь громадны, что наше светило, которое является водородной печкой, будет работать на нынешнем «режиме» еще много миллиардов лет.
Однако литий в настоящее время находит и немалое «земное» применение. Здесь надо назвать новую отрасль металлургии — металлургию лития.
Если добавить к магнию десять процентов лития, то полечившийся сплав будет прочнее и, главное, легче, чем магний. А ведь магний имеет удельный вес гораздо меньший, чем у большинства металлов. Добавка незначительных количеств лития к различным сплавам зачастую неузнаваемо изменяет их свойства.
Так, известный сплав «склерон», основу которого составляет алюминий, содержит всего 0,1 % лития. Но без этой одной десятой процента он сразу потеряет и свою прочность и свою твердость — те свойства, которыми он заслуженно славится.
Благодаря малому удельному весу и сопротивляемости высоким температурам сплавы лития с алюминием станут основой конструкции самолетов, летающих со скоростями, значительно превышающими скорость звука.
В последнее время появились интересные исследования по использованию лития в качестве горючего. Если литий в распыленном состоянии ввести в струю воздуха или кислорода, то при сгорании его выделяется громадное количество тепла.
Подсчеты показывают, что при использовании лития в качестве топлива можно при сжигании всего лишь одного килограмма этого металла получить такое количество тепла, которое выделяется при сгорании четырех тысяч тонн каменного угля.
Литиевые соли стеариновой и пальмитиновой кислот, как выяснилось, являются отличными смазочными материалами. Эти смазки сохраняют свойства при пятидесятиградусном морозе, при нагревании до 150°.
Можно было бы перечислить еще много отраслей техники и промышленности, где литий нашел свое применение.
Однако еще больше имеется среди них тех, которые ждут внедрения этого замечательного металла. Вот почему литий с полным правом называют металлом будущего.
Впрочем, все те металлы, о которых мы поведем разговор, в большей или меньшей степени являются металлами будущего, как это мы увидим на примере «героя» следующего раздела.
Металл драгоценностей
Сейчас уже никто не может сказать, что побудило французского ученого Вокелена в бурное для Франции время конца XVIII столетия заняться химическими экспериментами. Вероятно, причиной всего были деньги. Почтенный месье Вокелен не думал добывать деньги нечестным путем. Он отнюдь не жаждал лавров известного подделывателя бриллиантов графа Сен-Жермена, о похождениях которого столько говорили при дворе последнего Людовика. Однако если уж заниматься химией, то почему бы не исследовать свойства и состав замечательного драгоценного камня изумруда — этого если не короля, то, по меньшей мере, герцога всех драгоценностей?
К сожалению, эксперименты над изумрудами скоро пришлось оставить: то ли опыты не удавались, то ли госпожа Вокелен отнеслась с большим осуждением к разорительным для семьи экспериментам своего мужа с изумрудами. Однако все же некоторые результаты были получены. Из изумруда Вокелен выделил сероватую массу, которую из-за ее сладковатого вкуса он назвал «сладкой землей», или глициной, от слова «гликос» — сладкий. «Землями» же тогда химики называли большинство окислов. Произошло это в 1798 году.
Ровно через двадцать лет из глицины был выделен серый блестящий металл, получивший название глициния. Несколько позже харьковский профессор Ф. И. Гизе предложил назвать этот элемент бериллием. Название привилось. Так в списке химических элементов появилось еще одно новое наименование.
Но даже сорок лет спустя свойства — бериллия были изучены еще настолько плохо, что Менделеев долго колебался, не зная, в какую клетку поместить этот элемент. И если бы не гениальная интуиция великого химика, бериллий долго бы слонялся по Периодической системе, пока не обрел квартиру № 4.
«Биография» бериллия в высшей степени необычайная.
Не менее оригинальна и его «анкета». Год рождения на ней обозначен 1798. Год поступления на работу — 1932. Именно в этом году в промышленности были применены некоторые сплавы бериллия. Но, подобно Илье Муромцу, который «тридцать три года сиднем сидел» и только потом развернулся во всю свою богатырскую силу, бериллий сразу же после поступления на службу человеку начал показывать чудеса.
Да, на долю бериллия в земной коре приходится лишь несколько десятитысячных долей процента. Но эти десятитысячные стоят того, чтобы за ними поохотиться.
Удельный вес бериллия несколько выше, чем у его соседа по Периодической системе — лития. Но все же он значительно меньше, чем у многих остальных металлов. Если же принимать во внимание только те металлы, которые в свободном состоянии устойчивы к действию воздуха, то бериллий занимает в этом списке место № 1. Хотя прочность бериллия меньше, чем стали, но разница в удельных весах между ними столь велика, что конструкция из бериллия будет во много раз прочнее, чем такого же веса сооружение из стали.
Известно, что самой большой заботой всех авиаконструкторов является снижение веса деталей самолета. Иногда они сидят месяцами и мучительно решают задачу, каким образом снизить вес машины хотя бы на несколько килограммов. Приходится накапливать эти килограммы буквально по граммам: в одном месте убирают винтик, в другом иначе планируют соединение, в третьем заменяют ручки из металла на пластмассовые.
Применение бериллия в самом ближайшем будущем освободит конструкторов от этих тягостных поисков. Уже достаточно подробно исследованы сплавы бериллия с магнием и алюминием, и можно уверенно сказать, что эти сплавы свершат в самолетостроении такой же переворот, какой произвело применение алюминия. Несложные расчеты показывают, что дальность полета самолета, сконструированного на основе бериллиевых сплавов, больше дальности полета машины, изготовленной на основе алюминия.
Уже это одно свойство бериллия ярко показывает, что редкими элементами следует заниматься с большей настойчивостью, так как сулят они фантастически много. А то, что их мало по сравнению с элементами-гигантами, не помеха. Ведь на то и существует химия.
И химики оправдали надежды, возложенные на них. В настоящее время разработано несколько вариантов получения недорогого бериллия даже из самого бедного сырья.
Впрочем, поиски новых методов получения бериллия и изыскание источников сырья ведутся все нарастающими темпами. Дело в том, что этот металл завоевывает все большее число отраслей техники и промышленности.
Вот новое слово, которого не было в химическом и техническом словаре десяток лет назад: бериллизация. А скоро это слово станет таким же обычным, как «прокатка», «закалка» или им подобные. При бериллизации стальную деталь, нагретую до высокой температуры, помещают в порошок бериллия. Бериллий при этом в очень незначительном количестве проникает в поверхностный слой металла, и изделие оказывается окруженным как бы броней из бериллиевого сплава. Да, именно броней, я не оговорился. Потому что обработанная таким образом деталь резко увеличивает свою прочность и твердость.
Бериллизованные изделия работают во много раз дольше, чем обычные, стальные. Самое интересное, что бериллия на эту операцию идет ничтожно мало. При правильной работе можно бериллизовать одним килограммом его сотни, а иногда и тысячи самых различных деталей.
Буквально каждый месяц приносит новые сведения о замечательных свойствах бериллиевых сплавов. Оказывается, достаточно добавить к меди всего два процента бериллия — и образующийся сплав становится тверже нержавеющей стали. Добавка бериллия придает сплавам еще одно важное свойство — сопротивление к «усталости». Оказывается, металлические изделия тоже могут уставать. Самая лучшая стальная пружина, например, не может выдержать больше миллиона сжатий. Пружины из бериллиевой бронзы — сплава бериллия с медью — способны выдержать в 25 раз сжатий больше.
Известно, что медь обладает очень хорошей электропроводностью. Однако добавка к меди небольшого количества бериллия значительно улучшает способность меди проводить ток. Излишне говорить, как ценно это свойство бериллия для промышленности. Ведь чем лучше проводимость, тем меньше потери тока.
Незаменимым сейчас стал бериллий в рентгеноскопии для производства рентгеновских трубок. Бериллий для рентгеновских лучей все равно что самое прозрачное стекло для света. Почти все металлы задерживают рентгеновское излучение, бериллий же «прозрачен» для этих лучей.
Можно было бы еще очень много рассказывать о бериллии, металле, который сейчас переживает свое второе рождение, рождение для славных дел.
Пятнадцать близнецов
Если подробно описать историю открытия пятнадцати элементов, помещающихся в одной клетке Периодической системы Д. И. Менделеева, то получился бы рассказ не менее увлекательный и драматический, чем, скажем, «Одиссея», и, уж наверное, более объемистый. Потому что перипетии и приключения отважного и находчивого Одиссея — ничто в сравнении с тем, что пришлось пережить химикам, пока в Периодической системе между порядковыми номерами 57 и 71 воцарился относительный порядок.
Между этими номерами в Периодической системе находятся элементы, которые называются редкоземельными. Уже само название показывает, что эти элементы являются большой редкостью. Действительно, еще лет десять назад соединения редкоземельных металлов можно было увидеть разве только на демонстрационных опытах по неорганической химии. Да и то профессор, доставая из жилетного кармана запаянную пробирку с невзрачным порошком — соль какого-нибудь неодима или иттербия, — не отсылал ее по рядам, чтобы, упаси боже, не разбили, но зато пускался всякий раз в пространные воспоминания о том, как ему удалось заполучить этот образец.
Если попытаться даже очень кратко изложить историю открытия редкоземельных элементов, то получился бы научный трактат в сотню страниц. Десятки ученых в различных странах начиная с первых лет прошлого столетия бились над разгадкой проблемы редкоземельных элементов. Даже такой могучий ум, как Д. И. Менделеев, и тот в течение многих лет не знал, какие места в Периодической системе следует отвести этим металлам. Не одна гора бумаги была исписана, не одна теория была отвергнута, прежде чем стало очевидным, что пятнадцать химических элементов должны стоять в одной клетке.
Действительно, редкоземельные элементы походят друг на друга больше, чем иные близнецы. Эти близнецы неразлучны не только в Периодической системе, но и в природе. Никогда их нельзя встретить отдельно друг от друга. Но «воспитателей» близнецов-элементов — химиков — эта трогательная дружба почему-то не умиляла. Напротив, она доставила им немало горестных минут. Дело в том, что поразительное сходство химических свойств редкоземельных элементов чрезвычайно затрудняет процессы их разделения. До того как был найден способ экспериментального определения порядкового номера того или иного элемента, химики никогда не были уверены, не является ли данный редкоземельный элемент в действительности смесью нескольких элементов.
В самом деле, если посмотреть на таблицу открытия редкоземельных элементов, то возникает картина точно такая, как при делении бактерий. Вначале было известно только два элемента: иттрий и церий. Потом выяснилось, что церий содержит еще один элемент, названный лантаном. Лантан недолго оставался одиночкой. Кропотливые исследования показали, что элемент, который раньше принимали за чистый лантан, на самом деле является смесью лантана и дидима. Но напрасно мы стали бы сейчас искать в Периодической системе элемент дидим. По прошествии нескольких лет выяснилось, что дидим, в свою очередь, состоит из двух элементов: собственно дидима и самария. Однако «собственно дидим» оказался вовсе не «собственным», так как дотошные химики доказали, что он является смесью двух элементов, названных празеодимом и неодимом. Самарий тоже не остался в долгу и «отпочковал» от себя элемент гадолиний и европий.
Точно такая же картина наблюдалась и с иттрием, который последовательно «породил» элементы эрбий, тербий, гольмий, тулий, диспрозий и лютеций.
В главе «Алхимия XX века» было рассказано о том, сколько неприятностей доставил исследователям последний (не по порядку, а по времени открытия) из редкоземельных элементов — прометий.
Сейчас нам отлично известна причина удивительного сходства элементов с порядковыми номерами 57–71. Так же как и в описанном в главе об искусственных элементах семействе актиноидов, у редкоземельных элементов внешняя электронная оболочка построена одинаково.
Благодаря трудностям разделения лантаноидов свойства отдельных металлов до самого последнего времени были изучены очень плохо. Химия этих элементов представляла собой, образно говоря, целину. Но стоило по этой целине провести первые борозды научных исследований, как показались дружные всходы.
Начнем с того, что само название «редкоземельные» с каждым годом становится все более неправильным. Оказалось, что этих элементов в земной коре содержится гораздо больше, чем предполагали прежде. Хотя относительное содержание лантаноидов очень невелико — всего шестнадцать тысячных процента, — но тем не менее это значительно выше содержания многих элементов Периодической системы. Во всяком случае, химикам, для которых в настоящее время работа с шестым и седьмым десятичными знаками является столь же обычным делом, как поездка в трамвае, выделение и получение чистых соединений элементов-близнецов не представляется таким уж сложным. Однако, разумеется, без методов микрохимии здесь в большинстве случаев не обойтись. Химия редкоземельных элементов — еще один и притом очень яркий пример того, как умение отыскивать вещества, которые прячутся в далеких от запятой десятичных знаках, дало технике новые прекрасные материалы. Впрочем, и сейчас некоторые из лантаноидов являются очень дефицитными. Стоимость, например, лютеция превышает цену золота в двести раз, а элемент тулий расценивается в 350 раз дороже золота Но это не из-за редкостности этих элементов, а скорее, из-за трудностей разделения.
Умение довольствоваться предельно малым для изучения свойств труднодоступных элементов привело к тому, что за последнее десятилетие сведения о химии редкоземельных металлов возросли во много раз.
Если лет двадцать назад даже самая полная сводка всех сведений о химических свойствах лантаноидов представляла бы, очевидно, невзрачную книжицу толщиной менее сотни страниц, то теперь для такого же издания пришлось бы напечатать с десяток толстенных томов, каждый из которых был бы предельно напичкан цифрами, формулами, диаграммами…
Соответственно изменилась и область практического применения редко (а теперь уже «нередко») земельных элементов.
В течение чуть ли не семидесяти пяти лет единственным применением лантаноидов было изготовление сплава, из которого делали камни для зажигалок. Но никто, даже химики, прикуривая папиросу или сигару от неизменно капризных зажигалок, не предполагали, что каждый из входящих в этот искристый сплав металлов, взятый в отдельности, откроет новую страницу в металлургии и химической промышленности.
Рассмотрим наудачу выбранные некоторые из них. Вот хотя бы страница тулия. Впрочем, правильнее будет сказать, не «страница», а «книга».
Если еще лет десять назад этому элементу даже в самых объемистых руководствах отводилось всего несколько строк, набранных к тому же петитом, то теперь о тулии действительно можно написать специальную, и притом немалую, книгу.
Искусственный радиоактивный изотоп тулия с атомным весом 170 испускает гамма-лучи, которые сходны с рентгеновскими. Эта фраза, которая звучит так, как будто бы она заимствована из сугубо специальной книги, на самом деле таит в себе переворот в огромной области техники и медицины — в области рентгеноскопии.
Почти все, наверное, хотя бы раз в жизни были в рентгеновском кабинете. Это, пожалуй, самый таинственный из всех кабинетов любой поликлиники. Врач скрыт от вас непроницаемым мраком. Только в глубине кабинета тускло светит красная лампочка. Неестественным зеленым светом мерцает экран. А когда вы замечаете на этом экране скелет просвечивающегося пациента, зашедшего перед вами, то вас охватывает вполне понятное благоговение перед техникой рентгеноскопии. Это благоговение безусловно усугубилось бы, если бы вам удалось подробнее ознакомиться с конструкцией рентгеновских аппаратов. Впрочем, вряд ли непосвященный разберется с первого раза в хитроумных сплетениях проводов и в устрашающих своими размерами лампах.
В настоящее время рентгеновские лучи находят очень широкое применение, причем не только в медицине. О ней и говорить не приходится! Без рентгеноскопического исследования нельзя установить правильный диагноз многих заболеваний. Не меньшее применение находят рентгеновские лучи в технике для просвечивания металлических изделий. Эти лучи безошибочно выделяют бракованные детали — такие, в которые закрались невидимые при наружном осмотре трещины или пустоты.
Однако применение рентгеновских лучей все же сильно ограничено громоздкостью аппаратуры. Врач, идущий на обследование больного, берет с собой набор самых различных медицинских приборов и инструментов: стетоскопы, шприцы, приборы для определения кровяного давления или деятельности сердца, но вот такой важный прибор, как рентгеновский аппарат, с собой не захватишь.
Впрочем, скоро все сказанное выше можно будет с легким сердцем перевести в прошедшее время. «Виновником» этого будет редкоземельный элемент тулий. Рентгеновские аппараты, изготовленные на основе тулия, будут до смешного простыми: ампулка с почти невесомым количеством металлического тулия или какой-либо его соли, небольшой защитный кожух для предохранения от влияния излучения тулия и небольшой экран для проецирования изображения. Не знаю, поместится ли такой рентгеновский (или уже правильнее будет сказать — тулиевый); аппарат в дамскую сумочку, но в мужской портфель он влезет безусловно. Так что в самом ближайшем будущем тулиевые аппараты станут такими же карманными приборами для врачей, как и стетоскопы.
Стоит ли говорить, что приборы, работающие на основе радиоактивного тулия, окажутся незаменимыми и для работников, контролирующих качество изделий из металла!
Не менее блистательное будущее предстоит прометию, тому самому элементу, который все еще не найден в природе, а получается пока искусственным путем. Вот где поистине необъятный простор для писателей-фантастов! Впрочем, возможно, я и ошибаюсь. Потому что ничего фантастического из того, что будет рассказано о прометии, нет: есть сухие и точные протоколы экспериментов, есть уже сконструированные приборы, есть незаурядная фантазия ученых, но фантастики нет.
Радиоактивное излучение прометия (прометий испускает электроны — бета-лучи) оказалось возможным использовать в качестве источника энергии. Достаточно самого ничтожного количества прометия, чтобы сконструировать миниатюрную батарейку с весьма внушительной, сообразно с ее размерами, отдачей энергии. Например, прометиевая батарейка, имеющая размеры и толщину шляпки обычной канцелярской кнопки, может в течение пяти лет двигать механизм ручных часов. Уже сейчас выпускаются слуховые аппараты, где источником энергии является прометиевая батарейка. А ведь большим неудобством для тех, кто был вынужден пользоваться слуховыми аппаратами, является необходимость носить в кармане электрические батареи, которые к тому же необходимо часто менять.
Очевидно, подсчет того, что может дать прометиевая батарея размером хотя бы с куриное яйцо, является только арифметической задачей. Читатель может здесь дать полную волю своему воображению, и вряд ли в чем-нибудь он ошибется.
А если можно фантазировать читателю, то почему бы не заняться этим (в разумных пределах, конечно) и автору? Впрочем, фантазия ли это? Как-то мне пришлось выступать перед молодежной аудиторией с лекцией о некоторых достижениях современной химии. Среди прочих сведений я сообщил и о замечательных свойствах прометия. Передо мной с рассказом о чудесных успехах советской медицины выступал один известный советский медик, специалист в области хирургии сердца. После окончания вечера он пригласил меня к себе и совершенно неожиданно стал подробно расспрашивать о прометии, и особенно о прометиевых батареях. Причина этого пристального внимания к новому источнику энергии скоро стала очевидна. Уже много лет врачи в разных странах мечтают о создании искусственного сердца. Не тех громоздких аппаратов, с помощью которых сейчас производят операции на сердце, а таких сердец, которые больной мог бы всегда носить с собой. Впрочем, такой человек был бы здоровее иного человека с обычным сердцем. Ведь его сердце не знало бы ни усталости, ни болей.
Однако все предложения по «проектам» портативного искусственного сердца пока еще не выходят из стадий полуфантазии. Вся остановка, оказывается, за источником энергии. Наше сердце должно выполнять настолько интенсивную работу, что лаже килограммовой электрической батареи хватило бы владельцу искусственного насоса крови всего на час с небольшим. А если не годится электричество, то тем менее пригодными будут и двигатели внутреннего сгорания.
И вот тут-то прометий может оказаться в высшей степени полезным. Правда, сейчас прометия во всех лабораториях мира добыто столько, что его не хватило бы, пожалуй, и на один «сердечный двигатель». Однако истории науки известно немало примеров, когда металл, дефицитный вначале, в течение нескольких лет уменьшал свою стоимость со скоростью пассажирского экспресса. В 1889 году Д. И. Менделееву во время пребывания его в Лондоне в качестве драгоценного подарка преподнесли весы, одна чаша которых была изготовлена из золота, а другая из несравненно более драгоценного в то время металла… алюминия. Однако не прошло и пятидесяти лет, как алюминий стал таким же обыденным материалом, как и дерево.
Боюсь, что после всего рассказанного изложение «прозаического» применения других редкоземельных элементов покажется скучным. Однако прошу поверить, что от этого колоссальное значение, которое с каждым годом приобретают редкоземельные элементы в народном хозяйстве, не станет меньше.
Прибавление лантаноидов к чугуну буквально волшебным образом действует на этот обычно хрупкий сплав. Редкоземельные элементы сильно понижают хрупкость чугуна и в такой же степени увеличивают его прочность. Чугун, который, как известно, с трудом поддается обработке, будучи сплавлен с редкоземельными, может даже обтачиваться на токарных станках. Причем примешивать эти металлы надо в самых мизерных количествах: от трехсот граммов до двух килограммов на тонну чугуна. А самое важное то, что для этого редкоземельные металлы не надо разделять: их действие отлично проявляется, когда их прибавляют «скопом».
Последние годы показали, что редкоземельные элементы могут быть использованы для варки высококачественного стекла, которое находит применение и для линз телескопов, и для иллюминаторов глубоководных батисфер, и для хранения исключительно чистых веществ.
Интерес исследователей к элементам-близнецам настолько велик, что буквально каждый месяц приносит новые фундаментальные открытия в этой области. Не так давно были описаны необычные свойства гадолиния. Оказалось, что он с успехом может быть использован для получения сверхнизких температур. Для этого сернокислую или хлористую соль гадолиния помещают в атмосферу инертного газа и подвергают действию магнитного поля. При этом соль гадолиния нагревается, и тепло передается газу. После этого газ откачивают и прекращают воздействие магнитного поля. При этом гадолиний заметно охлаждается в сравнении с первоначальной температурой.
Многократно повторяя такую операцию, исследователи достигли температуры, которая всего на две десятитысячных доли градуса отличается от абсолютного нуля.
Сто лет назад о существовании многих из лантаноидов знали, вернее, догадывались, но выделить в чистом виде соединения их не могли. Шестьдесят лет назад — на рубеже столетий — на Всемирной выставке в Париже в качестве экспоната, иллюстрирующего громадные достижения химии, демонстрировались чистые препараты нескольких редкоземельных. Десять лет назад разделение редкоземельных элементов почиталось делом великой трудности. Сейчас, в наши дни, в самой обычной лаборатории можно получать чистые препараты лантаноидов. Это сделает вам любой лаборант, пользуясь в качестве инструкции широко известными работами в этой области, вошедшими в вузовские учебники.
Так впервые за геологическую историю нашей планеты человек нарушил трогательное единство редкоземельных элементов и разбил дружную семью элементов-близнецов. Это, пожалуй, единственный случай, когда можно приветствовать людей, посягающих на единство «семьи».
В одном из номеров старинного юмористического журнала приблизительно тех лет, когда в таких журналах печатался Антон Павлович Чехов, был помещен рисунок. Десяток бородатых людей, в которых без труда можно было уловить портретное сходство с выдающимися русскими учеными того времени, заарканив веревкой улитку, на которой было написано слово «наука», тянули ее на железнодорожную платформу. Это, очевидно, должно было обозначать, что темпы развития науки ускорились. Не знаю, показался бы остроумным аналогичный рисунок теперь, но то, что паровоз следовало бы заменить космической ракетой, — в этом можно не сомневаться. Рассказанная только что история элементов-близнецов — лучшее тому подтверждение.
Миллиардная доля земной коры
Здесь, конечно, не удастся рассказать о всех областях «химической Антарктиды». Слишком много элементов до самого последнего времени были недоступны и исследователям, и промышленности. Но о некоторых «белых пятнах» нельзя не упомянуть. Более того, о них нельзя даже сказать кратко.
К таким областям химической карты относится 75-я клетка Периодической системы — элемент рений, самый «младший» по времени открытия. Из всех элементов, которые находятся в земной коре, этот элемент позже всех раскрыл свое инкогнито. Символ Re — рений — только в 1925 году встал в клетке № 75 на место вопросительного знака. Все остальные дополнения в Периодической системе произошли уже за счет искусственно полученных элементов.
Причина столь позднего вступления рения в число «прописанных» обитателей Периодической системы объясняется его исключительной редкостностью. На долю рения приходится миллиардная доля веса земной коры. Такие металлы, как золото или платина, содержатся в земной коре в количествах, впятеро превосходящих долю рения.
Вот почему ни один, пожалуй, другой химический элемент не водил так долго «за нос» химиков, охотившихся за новыми элементами, как этот тускло-серебристый металл, не отличающийся, на первый взгляд, ничем особенным, кроме разве большого удельного веса.
Количество экспедиций, занимавшихся и занимающихся сейчас поисками «снежного человека», — ничто в сравнении с числом исследователей, которые посвятили себя поискам этого элемента.
К. Г. Паустовский в одном из своих очерков («Погоня за растениями») писал: «Известно, что настойчивость ученых чудовищна и может вывести из себя даже самого спокойного человека». Так вот, здесь все было наоборот. Загадка 75-го элемента заставила отступить не одного исследователя, и не один из тех, кто все же продолжал поиски, рано или поздно начинал роптать на несговорчивого и пока еще неизвестного обитателя квартиры № 75.
В 1869 году 75-й, по-видимому, выделил Гияр, дав этому элементу название «уралий». Но потом он отказался от своих выводов. Этим самым он избежал печальной судьбы химика Розе, радостное сообщение которого об открытии им в 1846 году элемента пелопия было опровергнуто несколькими исследователями сразу. Такая же судьба постигла и элемент ниппоний, описанный в 1906 году Огавой, и люций Баррьера, сообщение о котором появилось в 1896 году, и многие другие.
Но все-таки в одном случае ошибки, по-видимому, не было. 27 июня 1877 года появилось сообщение русского химика С. Керна о том, что в веществах, оставшихся после переработки платиновых руд, им открыт новый элемент, который он предложил назвать дэвием в честь знаменитого английского химика Г. Дэви. Определение атомного веса дэвия и его свойств показали, что он должен занять в Периодической системе место, уготованное Д. И. Менделеевым для элемента, названного им дви-марганцем. Лет двадцать спустя американский химик Мале повторил работу Керна, но из платиновых остатков не смог получить выделенный русским исследователем элемент. Сыграло ли тут роль то, что платиновая руда была иного происхождения, чем в опытах Керна, или то, что Мале был неопытным химиком, но факт остается фактом: открытие дэвия не подтвердилось. Ответа Керна не последовало; по-видимому, он к тому времени уже скончался, а так как критикам всегда верят немножко больше, то в клетке № 75 снова воцарился тот же вопросительный знак.
Только когда существование элемента 75-го — рения — было бесспорно установлено Ноддаком, Таке и Бергом, химики обратили внимание на то, что все реакции, которые Керн описал для дэвия, тождественны реакциям рения.
Так почти на пятьдесят лет несправедливая критика отодвинула срок замечательного открытия, каким всегда является обнаружение нового элемента.
Только пять из естественных химических элементов могут похвалиться, что в цифре, выражающей их содержание в земной коре, после запятой стоит большее число нулей, чем у рения: это элементы полоний, радон, радий, актиний и протактиний. Однако рений имеет над ними то несомненное преимущество, что в настоящее время он добывается в промышленном масштабе. Да, тот элемент, который два десятка лет нельзя было сыскать даже в самой богатой демонстрационной коллекции, сейчас производится на специальных заводах.
Дело в том, что свойства рения оказались настолько интересными и многообещающими для современной техники, что химики сочли своим долгом разработать методику получения больших количеств этого элемента.
Рений — один из самых тугоплавких металлов. Сейчас, когда с высокими температурами приходится сталкиваться во многих областях науки и техники и, прежде всего, в ракетной авиации, это свойство рения является исключительно ценным. Только один металл плавится при более высокой температуре, чем рений. Это вольфрам. Но и 3200° — температура плавления рения — величина достаточно внушительная.
Вторым ценным свойством рения является его химическая инертность. Даже при полутора тысячах градусов он не соединяется с кислородом воздуха. При обычных же температурах он не изменяется совершенно. Блестящая пластинка из рения не тускнеет практически вечно. Легко представить, какое применение найдет этот металл для отделки автомобилей и самолетов.
Большинство кислот не оказывает на рений никакого действия. Он сохраняет «невозмутимость» даже при обливании его горячей плавиковой кислотой, которая славится своей агрессивностью. Поэтому самая небольшая добавка рения делает многие сплавы кислотоупорными. Химическая аппаратура из сплавов рения служит в десятки раз дольше, чем агрегаты, сконструированные из обычных сплавов.
Не надо быть особенным пророком, чтобы предсказать, что в самом недалеком будущем рений вытеснит вольфрам во многих областях техники. Дело прежде всего в том, что при высоких температурах рений обладает большей прочностью, чем вольфрам. Поэтому уже сейчас в наиболее ответственных машинах поверхности трущихся деталей, если при трении возникает высокая температура, покрывают рением. Ко всему следует добавить, что рений очень легко и хорошо образует электролитические покрытия, а это в высшей степени ценное свойство этого элемента.
Итак, одна область применения рения заключается в использовании его отличных механических качеств и химической инертности. Но насколько рений инертен в реакциях со многими веществами, настолько он активен в вызывании реакций посторонних веществ. Иными словами, рений оказался прекрасным катализатором многих важных химических реакций. Рений — катализатор. Такова вторая широкая область применения этого металла будущего.
Уже через несколько лет после открытия рения стало известно, что он катализирует реакцию взаимодействия углекислого газа с водородом. Продуктом реакции при этом является метан. Трудно переоценить значение этой реакции. Метан — прекрасное горючее, легко транспортируемое, высококалорийное, не коптящее и не дымящее. Но самое главное, что метан можег служить источником множества химических продуктов, которые получаются на его основе. Углекислый же газ и водород — побочные продукты многих производств. При сгорании угля и нефти в воздух выделяются сотни тысяч тонн углекислоты в сутки. Водород тоже образуется как побочный и даже вредный продукт при электролитическом получении кислорода и многих металлов.
Рений позволяет легко и просто превратить эти отбросы производства в ценнейшее сырье для народного хозяйства нашей страны. Окислы рения, как выяснилось, отлично катализируют такой важный для химической технологии процесс, как окисление кислородом воздуха сернистого газа. Ведь на этой реакции основан процесс получения серной кислоты.
Итак, ясно — будущее за рением. Но основная задача внедрения этого металла в будни советской промышленности пока еще остается нерешенной. Необходимо найти методы быстрого и дешевого извлечения рения из содержащих его руд. Задача эта трудна, но выполнение ее столько сулит народному хозяйству нашей страны, что тот из химиков, кто посвятит себя ее решению, может быть горд сознанием важности выполняемого им дела.
Основа века атома
Когда-нибудь соберут в одном зале всех тех, кто пишет научно-популярные книги по химии, и предложат каждому из нас написать книгу, посвященную какому-либо из элементов. Один возьмется написать об йоде, другой посвятит свою книгу железу, третий — натрию. Это будут очень интересные книги, потому что о любом из элементов можно сказать много-много поучительного. Что же касается меня, то я бы, конечно, назвал уран.
Очень увлекательно было бы писать об этом элементе, потому что история урана по своей занимательности оставляет далеко позади описания похождений отважного д’Артаньяна и наверняка гораздо поучительнее.
Весьма заманчиво сравнить уран с гадким утенком, развившимся в прекрасного лебедя, но это будет малоемкое сравнение. Потому что андерсеновский гадкий утенок куда ближе великолепному лебедю, чем уран XIX века урану XX века. Можно было бы, правда, сказать, что уран за 150 лет после его открытия сделал головокружительную карьеру от элемента, свойства которого известны лишь узким специалистам, до элемента, которым интересуются все. Но и это сравнение, как будет видно из дальнейшего, мало освещает положение дел.
3∙10–6. Три десятитысячных доли процента. Три грамма на тонну. Таково среднее содержание урана в земной коре. В два раза меньше, чем самария, в три раза меньше, чем гадолиния, в десять раз меньше, чем олова. Мало, очень мало.
Можно считать большой удачей, что химик Клапрот в 1789 году открыл этот элемент. «Рождение» оказалось вне всякого сомнения преждевременным. Начался XIX век, прошла большая его часть, а ученые все еще не знали, что делать им с ураном и на что можно его употребить. Соединения этого элемента можно было, правда, встретить в лабораториях очень уж дотошных фотографов. В старых руководствах сообщается, что уран применяли иногда в керамической промышленности и в производстве краски «урановая желтая», но писали об этом, по-видимому, скорее для того, что ничего другого о применении урана сказать было нельзя. А краски этой, может быть, и приготовили за все время десяток-другой тонн.
Даже тогда, когда было открыто явление радиоактивности урана, интерес к этому металлу носил чисто академический характер. Ну как можно было всерьез думать о практическом применении элемента, который содержится в земной коре в такой малой степени?!
В XX веке интерес к урану несколько повысился, правда, не из-за самого урана, а из-за его постоянного спутника — радия. Урановые руды начали добывать с целью выделения из них радия — элемента, которым в свое время особенно интересовались ученые. Однако ничто не предвещало, что скоро наступит то время, когда уран станет центральным персонажем экономики ряда стран. Произошло это в 40-х годах, когда стало ясным, что разновидность урана с атомным весом 235 и получаемый из урана плутоний являются основой производства ядерного оружия. Уран из обойденного химического элемента превратился в один из важнейших видов стратегического минерального сырья.
Обычно радиоактивные элементы встречаются в земной коре в «размазанном» состоянии. Но с ураном человечеству повезло. Этот элемент имеет свои руды, которые встречаются не так уж редко. Впрочем, богатыми эти руды никак не назовешь. Переработка их с целью выделения более или менее чистых соединений урана заключает в себе почти двадцать кропотливых операций. Но коль скоро речь идет об уране — не могут казаться чрезмерными никакие усилия.
Есть в Канаде Медвежье озеро. Когда-то на его берегах были открыты урановые месторождения. Вряд ли хоть одна из газет посвятила тогда этому событию хоть одну строчку. Но, как только выяснилось значение урана для производства атомного оружия, американские монополии, давя друг друга, ринулись в Канаду. Конкуренты строили друг другу козни. Компании лопались одна за другой. Тут же возникали новые, столь же дутые, как и их предшественники. Объединения по закупке канадской «пшеницы» организовывались десятками, но ни одно зернышко не покинуло землю Канады. Всех их волновало только одно: уран. Долго велась бы, очевидно, эта характерная для капиталистических нравов борьба, если бы государство, осознав важность атомной проблемы, не прибрало месторождения урана к рукам.
Но урановая горячка и не думала утихать. Раздув историю одного ирландца, который с помощью сконструированного им радиометра, открыл небольшое урановое месторождение, компании стали наживать бешеные деньги на продаже подобных приборов. Тысячи людей устремились в горы и отдаленные районы в надежде найти уран. Эта горячка не утихает и по сей день. Урановый «вирус» проник даже на страницы серьезных научных журналов, которые пропагандируют самые разнообразные типы портативных радиометров для людей, жаждущих наживы. Только об одном не пишут эти журналы: для чего предполагают американские монополии использовать уран. Они не пишут, что этот металл добывается для того, чтобы в виде атомных бомб лечь в мрачные хранилища военных складов Пентагона. Они не пишут, что уран может превратиться в миллионы радиоактивных осколков, которые будут заражать воздух и воду. Они не пишут также и то, для какой цели готовятся сотни и сотни новых атомных бомб.
Вот почему каждое сообщение о новых достижениях советской науки в области мирного применения атомной энергии встречается капиталистической печатью с неприкрытой злостью. Атомные электростанции, атомный ледокол «Ленин» — это первенцы того замечательного века атомной энергии, в который мы сейчас входим. И основой этого века будут те четыре десятитысячных процента от веса земной коры, которые приходятся на долю урана.
На примере урана можно видеть, насколько оправданы усилия химиков подробнее изучить свойства малоисследованных элементов. Ведь каждый из тех элементов, которые сейчас изучены так же мало, как в недавнем прошлом уран, могут стать основой крупнейших открытий, способных разделить судьбу урана — элемента, которому суждено было повлиять на развитие человечества.
* * *
Литий, бериллий, редкоземельные, рений, уран… Вот, пожалуй, и все, что мы успели разобрать в этой главе. Об одних элементах мы не рассказали за недостатком места, о других — потому что о них можно сказать пока очень и очень мало.
Но приведенных примеров более чем достаточно, чтобы убедиться: нет элементов бесполезных. Все элементы Периодической системы, все без исключения, должны быть поставлены на службу человеку. А что до тех из них, которые в земной коре ютятся в ничтожных количествах, то, как видели мы на протяжении всех страниц прочитанной книги, это для химиков не помеха. С одинаковым успехом добывают они и элементы-гиганты, и элементы, которые природа упрятала далеко за запятую десятичных знаков.
Мы рассказали всего об одной проблеме современной химии — о проблеме сверхчистых и сверхмалых. Всего об одной… А их, проблем, сотни. И любая из них не менее интересна и важна, чем та, которой была посвящена эта книга.
Источник: В клетке, Юрий Фиалков