Среди более чем восьмидесяти металлов, которые человек отыскал в недрах Земли, особняком стоит группа элементов, два из которых, наряду с железом, сыграли исключительную роль в становлении человеческой цивилизации.
Начать хотя бы с того, что это — первые металлы, которыми начали пользоваться люди и, обрабатывая их, приобрели опыт обращения с новыми материалами. Так что без них человек не поставил бы себе на службу железо, а следовательно, не было бы и современной цивилизации. Но эти металлы сыграли и другую, не менее важную роль: на них опиралось и поныне опирается все мировое денежное обращение. И наконец, в последнее время эти металлы получили еще одно и, пожалуй, наиболее важное применение — в качестве материалов для новых отраслей науки. Речь идет о так называемых «благородных» металлах.
Почему же назвали благородными золото, серебро, платину, иридий, осмий, палладий, родий, рутений? Все дело в их необычайной химической стойкости. Они как бы «сами по себе» и не желают соединяться ни с какими другими веществами. Все металлы, например, в расплавленном состоянии соединяются с кислородом воздуха — окисляются. Благородные — нет. Все металлы растворяются в едких щелочах и кислотах. Благородные и здесь стоят особняком. Золото, например, поддается только «царской водке» — смеси азотной и соляной кислот.
Иридий и родий еще устойчивее, их даже «царская водка» не берет.
Но не только поэтому называют их благородными. Вторая причина — их относительно малые количества. В то время как большинство остальных металлов образуют скопления в определенных местах земной коры, благородные разбросаны почти повсюду, но понемногу. Поэтому и добывать их нелегко. Чтобы получить килограмм золота, приходится перерабатывать многие тонны породы. Поэтому и стоимость благородных очень высока.
Человек использует многие благородные металлы и для каждого из них находит то или иное применение. Начнем с самого знаменитого из благородных — золота.
Многие тысячелетия этот металл является всеобщим эквивалентом стоимости, который можно обменивать на любой товар. И в этом качестве золото завоевало себе мрачную славу. Не счесть преступлений, совершенных ради золота. Золотой мираж заставлял сотни тысяч людей срываться с насиженных мест и вел их в ледяные пустыни Аляски или на жаркие равнины Калифорнии. Это были периоды знаменитых золотых лихорадок. Единицы обогащались, но гораздо больше людей теряли и то немногое, что до этого имели, и становились отбросами общества или вообще погибали.
Таким же благородным металлом, как золото, является серебро. Правда, оно встречается в природе не так редко и стоит в несколько раз дешевле золота. Но у серебра есть некоторые великолепные свойства, которых золото не имеет. Серебро — чемпион среди металлов по электропроводности и теплопроводности. Но оно применяется не только в технике. Церковники использовали серебро для обмана верующих. Многие из вас, очевидно, слышали о «святой воде», которую раздают в церкви. Время над ней не властно: она может стоять очень долго и не испортится. Церковь выдавала это за чудо. Однако чудо вовсе не в воде, она самая обыкновенная, колодезная или дождевая. Чудо в серебряных сосудах, где эту воду хранят. Дело в том, что серебро растворяется в воде, хотя и в ничтожных количествах. Но даже очень слабый раствор серебра убивает микроорганизмы. Поэтому недаром серебряная посуда издавна считалась самой лучшей: она предохраняет от желудочно-кишечных заболеваний. Эти обеззараживающие свойства серебра известны очень давно. Древние египтяне клали на открытые раны серебряные пластинки: раны не нагнаивались и заживали очень быстро. В наши дни серебро добавляется в воду, которую пьют космонавты на орбите.
По утрам, когда вы причесываетесь перед зеркалом, вы смотритесь в серебро: им покрывают стеклянную основу зеркала, создавая отражающий слой. Когда вы фотографируете и делаете фотокарточки, то тоже имеете дело с серебром — фотопленка и фотобумага содержат соли серебра (например, бромистые: отсюда и бумага называется «фотобром»), которые под влиянием света распадаются. На этом основан весь принцип фотографирования: в тех местах фотопленки, куда попало больше света, соли серебра распадаются сильнее, и таким образом образуется рисунок объекта, который мы фотографируем.
Поскольку серебро лучше всех металлов проводит электричество и тепло, из него изготовляют проводники и электроконтакты для особо точных приборов. Его применяют в высокочастотной технике и в различных теплоизмерительных устройствах.
Очень похож на серебро другой благородный металл — платина. Нашли ее испанские конкистадоры в Южной Америке и назвали «маленьким серебром» или «серебришком» (по-испански «плата» — серебро). В Испанию завезли столько платины, что не знали, куда ее девать. И первым делом платина пошла на... жульничество. Испанские ювелиры заметили, что удельные веса платины и золота очень близки и потому сплав этих металлов трудно отличить от чистого золота. И платину стали добавлять в фальшивые золотые монеты. Испанской экономике начал угрожать серьезный кризис. В конце концов напуганный король приказал утопить в море все запасы платины. Знал бы он, что через несколько веков платина станет гораздо дороже золота!
Только в наши дни этот металл нашел достойное применение. Он обладает уникальным набором свойств. Платина так же химически стойка, как золото, почти так же хорошо проводит тепло и электричество, как серебро, и в то же время обладает большой твердостью, механической прочностью и жаростойкостью.
Распространённые редкие…
Автомобильные гонки на Западе — одно из самых острых массовых зрелищ. Футбол с ними и сравнивать нельзя. Пожалуй, только испанская коррида (единоборство человека с разъяренным быком) может приблизиться к ним по накалу страстей, по нездоровому ажиотажу. Ведь в каждой из стремительно мчащихся машин сидит, образно говоря, смертник и десятки тысяч зрителей каждую секунду предвкушают катастрофу. И надо сказать, гонки редко не оправдывают эти ожидания. Далеко не у каждого водителя хватает силы воли и твердости руки, чтобы удержать автомобиль на сумасшедшем вираже или избежать столкновения с другими машинами. Но вместе с тем гонки — это не только зрелище. Это еще и парад автомобильных фирм, показ их достижений. Выигравшая гонку машина — лучшая реклама фирме. После каждой гонки продукция фирмы-победительницы идет нарасхват. Поэтому на каждые гонки съезжаются представители автомобильных заводов и очень внимательно следят за машинами конкурентов, пытаясь определить, какие новинки в них заложены.
Почему же присутствие ванадия так благородно влияет на сталь? Все дело в газах — кислороде и азоте,— которые растворяются в расплавленном металле во время его варки в печи. По мере того как металл застывает в изложницах, газы начинают из него выходить, но не все. Часть их «застревает» в металле и остается там в виде пузырьков. Вот эти-то пузырьки и ослабляют кристаллическую решетку, делают сталь непрочной. Но стоит добавить в расплавленную сталь немного ванадия, как он тут же вступает с газами в химические реакции, образуя ванадиевые соединения. Эти соединения всплывают на поверхность жидкого металла и удаляются вместе со шлаком. Кроме того, ванадий препятствует образованию в стали крупных зерен, а это, как мы помним, делает ее еще более прочной.
Но не только на сталь оказывает ванадий такое благотворное влияние. Он и алюминий делает гораздо тверже. И самое ценное в том, что алюминиево-ванадиевый сплав не боится ни влажного воздуха, ни морской воды и поэтому применяется в морской авиации и судостроении.
Мы уже говорили, что ванадий считается редким металлом. Но не он один. К группе редких металлов относятся также вольфрам, молибден, ниобий, индий, галлий, тантал. Редкими их назвали не только потому, что они редко встречаются в природе, но также и потому, что эти металлы долгое время не находили широкого практического применения, были редкими в технике.
Редким в природе ванадий, разумеется, остался. Примерно 50 металлов редко встречаются в недрах нашей планеты или же рассеяны так, что добыча их очень трудна и обходится дорого. Что же касается практического применения, то сейчас без многих редких металлов были бы невозможны космонавтика, радиоэлектроника, атомная энергетика и многие другие отрасли современной техники. В этой книжке вы познакомитесь с некоторыми группами редких металлов. Об одних из них — радиоактивных — мы уже говорили. Сейчас речь пойдет о группе тугоплавких редких металлов, один из которых — ванадий. Но история тугоплавких началась не с него, а с другого металла — вольфрама.
Это один из наиболее «старых» редких металлов: он был открыт еще в XVIII веке. И двести лет этот металл не находил почти никакого применения, за исключением «работы» в электрических лампах накаливания: из вольфрама делают нити этих ламп. Дело в том, что вольфрам — чемпион по тугоплавкости среди всех металлов: он плавится при температуре 3380 градусов. Однако наряду с этим великолепным качеством он обладает и другими свойствами, отнюдь не приводящими в восторг производственников: он, как говорят инженеры, в высшей степени нетехнологичен. Вольфрам технической чистоты хрупок, как стекло. Ни ковать, ни прокатывать, ни штамповать его невозможно. Создателям электрических ламп пришлось изрядно помучиться, прежде чем они научились делать из него тоненькие нити.
Не следует думать, что это всегда плохо. Ведь только благодаря способности железа становиться мягким при нагревании мы можем ковать или прокатывать его, то есть превращать в необходимые нам изделия, в том числе и в каркасы зданий. Но... у всякой медали ведь две стороны, и то, что является достоинством в одном случае, оборачивается недостатком в другом.
А в наше время эти недостатки вырастают уже в проблему. Технике космического века остро необходимы материалы, длительно работающие при высоких температурах. Из таких материалов должны изготовляться головные части ракет и космических кораблей, чтобы выдержать страшный жар при прохождении плотных слоев атмосферы. Эти материалы работают в камерах сгорания и соплах ракетных двигателей, в газовых турбинах и во многих других машинах и аппаратах, где развивается высокая температура. Только потому, что ученые нашли такие материалы, и появилась ракетная и турбинная техника. Но как же сумели эти материалы создать? Вот тут-то и помогли тугоплавкие.
Если ввести в сталь всего лишь один процент вольфрама, то температура ее плавления резко повысится. Кроме того, вольфрам, как мы уже говорили, придает стали твердость, которую она сохраняет, даже нагреваясь докрасна.
Кроме вольфрама, в жаропрочных сталях используются и другие тугоплавкие металлы — молибден, хром, ванадий. И не только тугоплавкие. Современные жаропрочные стали содержат иногда более десятка самых разнообразных легирующих добавок. А в последнее время большое распространение получили жаропрочные стали, в которых... вообще нет железа. Это большая победа ученых. Мало было найти компоненты для этих сплавов, определить их процентное содержание и технологию изготовления. Наибольшая трудность состояла, пожалуй, в том, чтобы найти совершенно новый принцип «конструирования» материалов: использовать редкие металлы не как добавочные, а как основные компоненты. Так появились сплавы, определяющие сейчас развитие многих отраслей промышленности. Например, сплав вольфрама с металлами танталом и гафнием. Он сохраняет высокую прочность при температурах до 2000 градусов и не делается хрупким даже при охлаждении до абсолютного нуля. В то же время он хорошо обрабатывается и сваривается. Известно, например, что в зарубежных странах из подобных сплавов делают камеры сгорания и обшивку ракет. Но не только в воздухе употребляются такие материалы.
Из сплавов вольфрама с хромом и кобальтом делают сверхбыстрорежущие резцы. Они во много раз повышают производительность металлообрабатывающих станков, позволяя работать с невиданными скоростями, улучшают чистоту поверхности обрабатываемых деталей.
Сплавы, полученные на основе карбидов вольфрама (знаменитый «победит» и другие), по своей твердости соперничают с алмазом и во многих случаях заменяют этот дорогой и хрупкий минерал. Например, при бурении нефтяных скважин все шире пользуются коронками из этих сплавов.
Сплав вольфрама, никеля и меди оказался необыкновенно стойким к проникающим излучениям. Он лучше свинца защищает от радиации, поэтому из него изготовляют контейнеры, в которых хранят сильно радиоактивные вещества.
Вольфрам открыл широкую дорогу в технику и другим металлам, считавшимся ранее редкими и бесполезными. Мы их уже перечисляли, а теперь коротко расскажем об их свойствах.
Если поверхность обычных подшипников покрыть индием, они служат в пять раз дольше. Вот какую прочность придает этот металл трущимся частям! Но не только этим он знаменит. Зеркала из индия непревзойденны. Они отражают свет гораздо лучше, чем серебряные, совершенно не искажают цвета и, что особенно важно, не тускнеют со временем. Ясно, как ценны эти зеркала для точных астрономических приборов.
Уникальны свойства галлия. Этот металл является, пожалуй, единственным в своем роде. Он плавится при температуре около 80 градусов (напомним, что температура человеческого тела на шесть градусов выше, поэтому галлий плавится прямо в руках), зато кипит только выше 2200 градусов. Из него делают высокотемпературные термометры. А в будущем ученые намерены использовать его для более важной цели. В ядерных реакторах он будет служить теплоносителем: передавать тепло, образующееся при распаде атомных ядер, в котлы, турбины, металлургические агрегаты.
Другой редкий металл, тантал, получил неожиданное применение в качестве материала для... «запчастей» человеческого организма. Оказалось, что он лучше всех металлов «сживляется» с тканями тела. Он не только не подвергается никаким изменениям в химически агрессивных средах, но и совершенно не раздражает живую ткань, не является для нее чужеродным телом.
Пластинками из тантала «заделывают» проломы черепной коробки, пряжа из танталовых нитей заменяет мускульную ткань, а сетки из них используются в глазных протезах. Более того, танталовые нити могут «работать» в человеческом организме вместо утраченных сухожилий и даже нервов.
Как известно, ткани и сосуды при хирургических операциях сшивают специальными нитками, чаще всего шелковыми. Однако ручное сшивание — долгий и трудоемкий процесс. А главное, шелковые да и другие нити иногда могут вызвать воспаление окружающих тканей. Можно ли тут что-нибудь сделать?
Оказалось, можно. Давно известно нехитрое канцелярское устройство — машинка для скрепления бумаг металлическими скрепками. Принцип ее работы и положили советские конструкторы в основу действия своего аппарата для сшивания живых тканей. Теперь хи-рургу достаточно нажать ручку — и разрез в ткани или сосуде будет стянут скобкой или прошит нитями. А нить и скобы — танталовые. И они не вызывают никаких нежелательных послеоперационных последствий. Теперь это советское изобретение применяют в операционных многих больниц мира.
Но не только тантал идет на «запчасти» человека. Из многих редких металлов и некоторых марок нержавеющих сталей изготавливают специальные гвозди и шурупы, которыми скрепляют кости. А можно даже заменять протезами из этих металлов утраченные участки костей и целые суставы.
Итак, редкие металлы оказались не такими уж редкими. Как только они понадобились технике в больших количествах, металлурги нашли способы их широкой добычи. И однако, есть среди них металл, в котором очень нуждается промышленность, но который тем не менее все еще приходится с полным основанием называть редким. Это — рений.
Он был предсказан Д. И. Менделеевым в 1871 году. Но только через 54 года немецкие химики супруги Ноддак обнаружили его в уральской платиновой руде. Свое имя он получил в честь реки Рейн в Германии. Сначала супруги Ноддак выделили из руды крохотную долю миллиграмма нового металла. Лишь через три года, в 1928 году, был добыт первый грамм рения. А в 1938 году во всем мире было получено... 3 грамма этого металла.
Ничего удивительного в этом нет. Мало сказать, что рений — редкий элемент. Он — редчайший. У него нет даже собственных руд, и его извлекают попутно с другими металлами, например, из промышленной пыли, образующейся при добыче молибдена. Чтобы выделить крупицы чистого рения, приходится перерабатывать буквально горы породы. Даже сейчас рения во всем мире добывается в сотни раз меньше, чем золота. И тем не менее овчинка, как говорится, стоит выделки.
Рений очень твердый, очень тугоплавкий серебристо-белый металл, по внешнему виду напоминающий платину. Химическая стойкость его просто поразительна. Он не окисляется на воздухе и почти не поддается кислотам и щелочам.
Смотрите, какой великолепный набор свойств — высокая температура плавления, большая механическая прочность и твердость, огромная коррозионная устойчивость, стойкость к газам, а также прекрасные электрические свойства. Все это делает рений незаменимым для ядерной энергетики, космической техники, электро- и радиотехники, приборостроения.
Взять хотя бы электрические контакты. Простейшие устройства, от которых зависит работа всех электрических машин и приборов. Контакты из рения работают месяцы и даже годы в самых тяжелых условиях — при сильной вибрации, в мороз и жару, во влажном воздухе и морской воде. В этих условиях контакты из любых других материалов, даже из вольфрама, уже через несколько суток выходят из строя.
Рений значительно лучше вольфрама служит в электронагревательных и электровакуумных приборах: он меньше подвержен влиянию различных газов, следы которых остаются и после откачивания воздуха.
В мощных генераторных лампах, в магнетронах и других электровакуумных приборах великолепно работают катоды из рения, увеличивая долговечность и надежность этих приборов в десятки раз. Более того, катоды из рения и его сплавов позволили создать совершенно новые по качеству и надежности типы электровакуумных приборов.
Из рениевых сплавов изготовляют проволоку, которая в два-три раза тоньше человеческого волоса, но выдерживает груз более 7 килограммов. Рениевая подвеска не имеет себе равных в тончайших приборах.
А наконечники перьев для авторучек, изготовленные из сплавов рения, сделали бы эти перья поистине «вечными», так как очень устойчивы против истирания. Жаль, что для авторучек рений — слишком дорогой материал. Но вот для осей стрелок компасов и точных электрических приборов его не жалеют.
Мы рассказали только о некоторых применениях рения и его сплавов, но не они пока главные. Основное назначение рения — легирование других металлов. Мы уже говорили, что технически чистый вольфрам хрупок, как стекло. Так же хрупок и молибден. Но стоит добавить в них рений, и эти металлы, не теряя всех остальных своих свойств, становятся пластичными и хорошо поддаются механической обработке. Значит, из них можно изготовлять различные изделия. А легирование рением, скажем, хромоникелевых сплавов, увеличивает срок службы изготовленных из них деталей в десятки раз.
И все-таки рения мало, очень мало. Буквально каждая крупица его на учете. И ученые упорно трудятся над разработкой новых способов его получения.
Многие редкие металлы пока еще мало применяются в промышленности из-за того, что мы очень немногое о них знаем. Но как только люди проникают в тайны этих металлов, раскрывают их особенности, их свойства, новые металлы начинают активно «работать» на человека. Именно так произошло с еще одной группой редких металлов, о которых мы расскажем в следующей главе.
