О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
Шрифт:
Казалось бы, совсем недавно вошли в нашу жизнь полупроводники, а сегодня уже невозможно представить себе современную технику без этих замечательных материалов, которые способны поистине творить чудеса. Миниатюрные приборы простые, надежные, удобные в обслуживании — решают самые разнообразные сложнейшие задачи. Известно много веществ с полупроводниковыми свойствами. Особое место среди них занимают так называемые стеклообразные полупроводники, в состав которых, наряду с мышьяком, сурьмой, серой, селеном и теллуром (в разных сочетаниях), непременно входит таллий.
Когда в вечернем сумраке больших городов вспыхивают огни световых реклам, вместе с другими элементами включается в работу и «восемьдесят первый»: стеклянные трубки, заполненные аргоном и парами таллия, излучают приятный зеленый свет. Таллиевые газоразрядные лампы применяют для градуировки спектральных приборов, контроля фотопленок и негативов, оценки рентгеновских
В промышленности, сельском хозяйстве, бытовой технике трудится в наши дни громадное число металлических сплавов — более 10 тысяч. Пожалуй, невозможно назвать такой металл, который не участвовал бы в создании тех или иных сплавов. Не остался в стороне от этого важного дела и таллий. Легко сплавляясь со многими металлами, он входит в состав различных композиций, обладающих ценными свойствами. Так, в союзе со свинцом, оловом и сурьмой таллий образует отличный кислотоупорный материал, который запатентован для облицовки подземных трубопроводов. Создана большая группа подшипниковых сплавов, содержащих этот элемент. В зависимости от назначения подшипников таллий выбирает себе подходящих компаньонов: чаще всего в этой роли выступают свинец, медь, олово, а иногда даже такие благородные «персоны», как золото и серебро. При этом таллий вносит очень ценную лепту в комплекс свойств, необходимых подшипниковым материалам: благодаря сравнительно низкой температуре плавления он в процессе работы механизмов образует как бы естественную смазку, во много раз повышающую износостойкость подшипников, а значит, и срок их службы.
Существует несколько десятков легкоплавких сплавов, содержащих таллий. Но самым уникальным среди них безусловно нужно признать сплав таллия со ртутью: он становится твердым только при -60 °C. В условиях Арктики или Антарктиды, на полюсе холода или в стратосфере специальные низкотемпературные термометры, заполненные этим жидким сплавом (точнее, амальгамой), могут надежно служить при лютых морозах, перед которыми вынуждены пасовать обычные ртутные термометры.
Нашлась работа в промышленности и для радиоактивного изотопа элемента № 81. Таллий-204 используется в качестве источника бета-излучения во многих приборах для контроля и исследования производственных процессов. С помощью таких приборов автоматически измеряется, например, толщина движущейся ткани или бумаги: как только бета-лучи, проходящие через слой материала, начинают ослабевать или усиливаться (а это значит, что толщина материала соответственно увеличилась или уменьшилась), автоматическое устройство дает нужную команду и восстанавливает «статус-кво», т. е. оптимальный технологический режим. Другие приборы с радиоактивным таллием как рукой снимают вредный статический заряд, возникающий в производственных помещениях текстильной, бумажной и кинопленочной промышленности.
До последнего времени науке были известны два стабильных и 18 радиоактивных изотопов таллия, причем самым легким из них считался изотоп с массовым числом 191. В 1972 году в лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне был получен еще более легкий изотоп этого элемента-таллий-189.
Таллий входит в состав многих представителей флоры и фауны нашей планеты. Из животных больше всего таллия содержат медузы, актинии, морские звезды и другие обитатели подводного царства. А вот на суше этот элемент чаще встречается в растениях, причем некоторые из них аккумулируют его в процессе своей жизнедеятельности. Так, таллий был найден в свекле, произраставшей на почве, в которой с помощью самых чувствительных методов не удалось его обнаружить. Дальнейшие исследования показали, что свекла «умеет» собирать и накапливать таллий даже при минимальной концентрации его в почве.
…Свыше ста лет назад уже упоминавшийся Ж. Б. А. Дюма высказал мнение, что «таллию суждено сделать эпоху в истории химии». Вероятно, ученый переоценил возможности элемента, изучению которого он посвятил многие годы. Но бесспорно и другое: лучшие свои роли таллий еще не сыграл.
«КОМАНДИРОВКА» В КОСМОС (ВИСМУТ)
В один из летних дней 1976 года, когда вокруг Земли вращалась орбитальная научная
Кем только не приходится быть космонавтам во время полета! Они и геологи, и биологи, и медики, и физики, и химики — да разве перечислишь все их небесные профессии. На этот раз — для проведения эксперимента «Сфера» — космонавты превратились в металлургов, а их металлургическим «цехом» стал компактный прибор, с помощью которого предстояло исследовать процесс затвердевания жидкого металла в условиях невесомости. Точнее, воспользовавшись отсутствием земных сил тяжести, космонавты должны были получить на этом приборе идеальные по форме металлические шарики.
Что же представляет собой прибор и какому металлу суждено было одним из первых войти в летопись космической металлургии? Прибор состоит из специального «магазина» с металлическими заготовками, электронагревателя и прозрачного лавсанового мешочка. Металлом же, на который пал выбор ученых, планировавших этот эксперимент, оказался известный уже более ста лет так называемый сплав Вуда, состоящий из висмута, свинца, олова и кадмия (в соотношении примерно 4:2:1:1). Основная рабочая характеристика сплава — низкая температура плавления (около 70 °C). Именно за эти заслуги сплаву Вуда и была выдана «путевка» в космические дали: чем легче плавится металл, тем конструктивно проще и, следовательно, компактнее может быть прибор, а это обстоятельство в космонавтике имеет первостепенное значение.
Итак, в точно отведенное для эксперимента время космонавты включили прибор и крохотная заготовка, похожая на кусочек карандашного грифеля, поступила из «магазина» в трубку нагревателя. Здесь заготовка быстро превратилась в каплю и специальное устройство вытолкнуло ее в лавсановый мешочек. Если бы дело происходило на Земле, капелька тотчас же упала бы на дно, и на этом опыт закончился бы, так и не состоявшись. В космосе же шарик из расплавленного металла, расставшись с нагревателем, начинает парить в невесомости. Скорость выталкивания капли и размеры мешочка выбраны с таким расчетом, чтобы к моменту соприкосновения с его стенками металл уже успел затвердеть. Капля, еще капля, еще — и вот уже получено много крохотных матовых бусинок.
«Шарики вроде ничего, симпатичные, — комментировал по ходу дела бортинженер В. Жолобов. — Приятно смотреть, как расплавленные капельки парят в невесомости, застывают, ни с чем не соприкасаясь».
Но вот эксперимент «Сфера» закончен. Какую же практическую пользу он принесет? Стоит ли в космосе «огород городить» только ради того, чтобы собрать урожай металлических горошинок, пусть даже идеальной сферической формы? Да и будет ли их форма идеальной?
Лавсановый мешок космонавты доставили на землю, и ученые многих лабораторий подвергли его содержимое всестороннему исследованию. Оказалось, что, застывая, металлические капли приобретали эллипсоидный вид и превращались в крохотные «груши», «луковицы», но отнюдь не в желанные шарики. К тому же сплав Вуда по каким-то причинам терял в невесомости свою однородность. И хотя, как говорится, первый блин-комом, подобные эксперименты, видимо, будут продолжены. Если они окажутся успешными, перед технологами откроются заманчивые перспективы: ведь в земных условиях, чтобы из металлической заготовки получить шарик для подшипников, требуется выполнить одиннадцать различных операций, потеряв при этом немало металла в отходы. Да к тому же и структура поверхностного слоя шариков порой оставляет желать лучшего. Вот почему можно предположить, что расходы на путешествие сплава Вуда в космос с лихвой окупятся, когда на околоземной орбите начнет действовать первый космический подшипниковый завод. И это время уже не за горами…
А пока спустимся с небес на Землю и познакомимся с главным компонентом сплава Вуда висмутом — серебристо-белым металлом с легким розоватым оттенком. Первые упоминания о нем в химической литературе относятся к XV веку. Правда, тогда многие химики путали висмут со свинцом, оловом и сурьмой. Так, в одном из алхимических словарей висмут описывается как «всякий легчайший, бледнейший и дешевейший свинец». Зато известный металлург и минералог средневековья Георг Агрикола в своей книге «О месторождениях и рудниках в старое и новое время», написанной в 1546 году, возвел висмут в ранг одного из основных металлов, присовокупив его к известной с древности «великолепной семерке» — золоту, серебру, меди, железу, свинцу, олову и ртути. Однако окончательно «права гражданства» висмут обрел лишь в XVIII веке. Этому металлу, пожалуй, как ни одному другому химическому элементу, повезло с названиями: по подсчетам некоторых ученых, в литературе XV–XVIII веков можно встретить более 20 «псевдонимов» висмута и среди них такие выразительные, как демогоргон, глаура, нимфа.