О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

Венецкий Сергей Иосифович

Известен другой метод очистки — электролитический. Ток, проходя через электролит, которым заполнены большие ванны, проявляет особое внимание к атомам сурьмы и препровождает их на один из электродов (катод), где они тесно «прижимаются» друг к другу. К примесям же такого почтения нет, и им приходится оставаться в растворе.

Рафинированная сурьма содержит уже не более 0,5–0,8 % чужих атомов, но и такой металл удовлетворяет не всех потребителей: для полупроводниковой промышленности, например, требуется сурьма 99,999 %-ной чистоты. Чтобы получить ее, применяют кристаллофизический метод очистки — зонную плавку. Длинный цилиндрический слиток сурьмы укладывают в графитовый контейнер (в виде корытца) и помещают в кварцевую трубку, вокруг которой расположен кольцевой электрический нагреватель. В процессе плавки нагреватель перемещается относительно слитка, расплавляя поочередно

все новые и новые порции металла. Когда «покинутая» нагревателем порция сурьмы застывает, все содержащиеся в ней примеси перебираются в следующую зону, где металл находится в жидком виде. Это происходит в силу физического закона, по которому при кристаллизации вещества примеси «не имеют права» застывать вместе с ним, а должны оставаться в жидкой фазе. (За примерами ходить далеко не надо: ледяной панцирь, покрывающий зимой северные моря, не содержит солей, хотя в морской воде их довольно много). Постепенно перемещаясь вместе с зоной расплавленного металла, все примеси в конце концов оказываются на краю слитка. Эту часть его отрезают, а всю остальную сурьму — теперь уже сверхчистую — сдают на склад готовой продукции. Впрочем иногда, в особо ответственных случаях, зонную плавку повторяют несколько раз. Для соблюдения химической стерильности процесс ведут в атмосфере инертного газа (аргона), не желающего вступить ни в какие реакции.

Подвергнутый многостадийной очистке металл способен удовлетворить самого взыскательного потребителя. Не случайно на Всемирной выставке в Брюсселе, проходившей в 1958 году, сверхчистая сурьма Кадамджайского комбината была признана лучшей в мире и утверждена в качестве мирового эталона.

Именно такую сурьму используют как легирующую добавку (всего-навсего 0,000001 %!) к одному из важнейших полупроводниковых материалов — германию, что заметно улучшает его качество. Но если в ней на тысячу атомов окажется хотя бы один атом меди, то добавка вместо пользы принесет только вред. Вот почему прежде чем попасть на заводы, изготовляющие полупроводниковые приборы, сурьма и проходит тот длинный путь, о котором было рассказано выше. Кстати, некоторые ее соединения (в частности, с галлием и индием) — сами отличные полупроводники. Многие полупроводниковые материалы, содержащие сурьму, были получены в условиях невесомости на борту советской орбитальной научной станции «Салют-6» и американской станции «Скайлэб».

На изготовление полупроводников расходуется сравнительно немного сурьмы. Основное ее количество идет на производство разнообразных сплавов — их насчитывается около двухсот. Еще в трудах крупнейшего металлурга средневековья Георга Агриколы, жившего в XVI веке, мы находим такие строки: «Если путем сплавления определенная порция сурьмы прибавляется к олову, получается типографский сплав, из которого изготовляется шрифт, применяемый теми, кто печатает книги». И сегодня сплав свинца с сурьмой и оловом (гарт) непременный атрибут любой типографии. Расплавленная сурьма, в отличие от других металлов (кроме висмута и галлия), при затвердевании увеличивает свой объем. Поэтому при отливке шрифта типографский сплав, содержащий сурьму, застывая в литейной матрице, расширяется, благодаря чему плотно ее заполняет и, следовательно, очень точно воспроизводит зеркальное изображение буквы, цифры или какого-либо иного знака, который затем, при печати, должен быть перенесен на бумагу. Помимо этого, сурьма придает типографскому сплаву твердость и износостойкость — весьма важные свойства, если учесть, что каждая литера выполняет свои функции десятки тысяч раз. На склонности остывающей сурьмы к «полноте» основано использование ее сплавов для художественного литья, где необходимо сохранять тончайшие детали оригинала.

Твердые и коррозионностойкие сплавы свинца с сурьмой применяют в химическом машиностроении (для облицовки ванн и другой кислотоупорной аппаратуры), а также для изготовления труб, по которым транспортируются кислоты, щелочи и другие агрессивные жидкости. Из них же делают оболочки, окутывающие различные кабели (электрические, телеграфные, телефонные), решетки свинцовых аккумуляторов, сердечники пуль, дробь, шрапнель.

Широко применяют подшипниковые сплавы (баббиты), в состав которых входят олово, медь и сурьма. Первый сплав такого типа был создан еще в 1839 году американским инженером И. Баббитом. Несмотря на «солидный возраст», эти материалы до сих пор в большом почете у конструкторов. Особая структура наличие твердых частиц в мягкой пластичной основе — обусловливает высокие антифрикционные свойства баббитов: малый коэффициент трения в подшипниках, залитых этими сплавами, хорошую прирабатываемость,

большое сопротивление истиранию. Неплохой антифрикционный материал — чугун, легированный сурьмой (0,5 %).

В последние годы сурьма стала оказывать кое-какие «услуги»… криминалистике. Дело в том, что летящая пуля оставляет за собой вихревой поток, в котором имеются микроколичества ряда элементов-свинца, сурьмы, бария, меди. Оседая на землю, пол или другую поверхность, они оставляют на ней невидимый след. Невидимый? Оказывается, современная наука позволяет увидеть этот след, а значит, и узнать направление пули. На обследуемую поверхность накладывают полоски влажной фильтровальной бумаги, затем их помещают в ядерный реактор и подвергают бомбардировке нейтронами. Вследствие «обстрела» некоторые атомы, прихваченные бумагой (в том числе атомы сурьмы), превращаются в радиоактивные изотопы, а степень их активности позволяет судить о содержании этих элементов в пробах и таким образом определить траекторию и длину полета пули, характеристику самой пули, оружия и боеприпасов.

Разнообразна «деятельность» и соединений сурьмы. Их используют, например, для вулканизации каучука в производстве резины. Трехокись сурьмы служит огнестойкой добавкой к тканям — ею пропитывают театральные занавеси, драпировки, брезенты. Изготовленной на ее основе краской «сурьмин» окрашивают подводную часть и надпалубные постройки кораблей. В качестве пигмента соединения этого элемента входят в состав многих красок, применяемых в живописи («неаполитанская желтая»), в производстве керамики и фарфора, белого молочного стекла и эмали для кухонной посуды.

Соединения сурьмы каждый из нас не раз держал в руках: боковая поверхность спичечной коробки покрыта составом, который, наряду с красным фосфором, содержит сульфид сурьмы (они-то и придают «терке» темно-коричневый цвет). Некоторые ее соли явно склонны к пиротехническим эффектам. Впрочем, и чистая сурьма способна устроить необыкновенно красивый фейерверк: если в сосуд, заполненный хлором, осторожно, небольшими порциями, всыпать мелкий порошок сурьмы, то крупицы ее тут же будут вспыхивать яркими звездочками; сосуд же вскоре наполнится белым дымом образовавшегося пентахлорида. А взрывчатая сурьма (об этой модификации говорилось выше) настолько неустойчива, что взрывается при любом соприкосновении или небольшом нагреве, превращаясь при этом в обыкновенную серую сурьму.

Не так давно, в 1974 году, в СССР было зарегистрировано открытие, в основе которого лежат сложные биохимические процессы, совершаемые… бактериями. Многолетнее изучение сурьмяных месторождений показало, что сурьма в них постепенно окисляется, хотя при обычных условиях такой процесс не протекает: для этого нужны высокие температуры-более 300 °C. Какие же причины заставляют сурьму нарушать химические законы? Микроскопическое исследование образцов окисленной руды показало, что они густо «заселены» неизвестными прежде микроорганизмами, которые и были виновниками окислительных «событий» на рудниках. Но, окислив сурьму, бактерии не успокаивались на достигнутом: энергию окисления они тут же «пускали в ход» для осуществления хемосинтеза, т. е. для превращения углекислоты в органические вещества.

Явление хемосинтеза впервые обнаружено и описано еще в 1887 году русским ученым С. Н. Виноградским. Однако до сих пор науке были известны всего четыре элемента, при бактериальном окислении которых выделяется энергия для хемосинтеза: азот, сера, железо и водород. Теперь к ним прибавилась сурьма.

ДВЕ ГОЛУБЫЕ НЕЗНАКОМКИ (ЦЕЗИЙ)

«Разборчивая невеста». — Истины ради. — Пламя меняет цвет. — Многоголосый «хор». — На помощь приходит принц. — Визитные карточки. — Посылка из Шварцвальда. — Чьи голубые «глаза»? — На вечное хранение. — Шерлок Холмс спокоен. — Вы курите? — Жюри присуждает приз. — Как сохранить? — Эксперимент не состоится. — Разные мнения. — Один в поле не воин. — Прибор получает «взятку». — На сотни верст. — «Ночезрительные трубы». — К далеким звездам. — Распухшие атомы. — Проще пареной репы. — Сегодня и завтра.

История — «разборчивая невеста»: добиться ее благосклонности — попасть на самые почетные страницы — удается далеко не каждому. В мире химических элементов (как, пожалуй, и в жизни) такой чести удостаиваются лишь те счастливцы, которые сумели в чем-либо превзойти или опередить конкурентов. Что ж, в этом есть своя логика. Разве не вправе рассчитывать на особое место в истории, например, технеций — первый искусственно созданный элемент, или гелий — единственный обитатель периодической таблицы, сначала обнаруженный на Солнце, а уж потом найденный на Земле?