О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

ВСЕ ЦВЕТА РАДУГИ (ИРИДИЙ)

14 июля 1789 года восставший народ Франции штурмом взял Бастилию началась Великая французская революция. Наряду со многими декретами и постановлениями, носившими политический, социальный, экономический характер, революционное правительство приняло решение ввести четкую метрическую систему мер. По предложению комиссии, в которую вошли авторитетные ученые, в качестве единицы длины — метра — была принята одна десятимиллионная часть четверти длины парижского географического меридиана. В течение пяти лет Ж. Деламбр и П. Мешен — крупнейшие специалисты в области астрономии и геодезии — проводили скрупулезные измерения дуги меридиана от Дюнкерка до Барселоны.

В 1797 году расчеты были завершены, а спустя два года изготовили первый эталон метра — платиновую линейку, получившую название «метр архива», или «архивный метр» (по месту хранения). За единицу массы — килограмм — приняли массу одного кубического дециметра воды (при 4 °C), взятой из Сены. Эталоном килограмма стала платиновая цилиндрическая гиря.

С годами, однако, выяснилось, что естественные прототипы этих эталонов парижский меридиан и вода из Сены — не очень удобны для воспроизведения, да и к тому же не отличаются примерным постоянством. Такие «грехи» ученые-метрологи сочли непростительными. В 1872 году Международная метрическая комиссия решила отказаться от услуг природного прототипа длины: эту почетную роль доверили «архивному метру», по образу и подобию которого изготовили 31 эталон в виде брусков, но уже не из чистой платины, а из сплава ее с иридием (10 %). Через 17 лет аналогичная участь постигла и воду из Сены: прототипом килограмма была утверждена гиря, выполненная из того же платиноиридиевого сплава, а международными эталонами стали 40 ее точных копий.

Иридий не случайно оказался союзником платины в эталонном сплаве. Требования к этому материалу очень высоки: он должен обладать необычайно большой прочностью и твердостью, быть тугоплавким и износостойким, не знать страха перед коррозией и совершенно не реагировать на изменения температуры. Сама платина не может сдать на «отлично» все эти экзамены, а вот ее сплав с иридием блестяще выдерживает трудное испытание уже в течение столетия. Правда, за это время «архивный метр» вынужден был уйти в отставку (в 1960 году эталоном метра стала длина, равная 1650763,73 длины волны оранжевого излучения атома изотопа криптона-86), но самый главный в мире килограмм по-прежнему остается в строю.

Служба мер и весов — отнюдь не единственное занятие платиноиридиевых сплавов. Из них делают жаростойкие тигли, которые безболезненно переносят сильный нагрев в агрессивных средах; в таких тиглях, в частности, выращивают кристаллы для лазерной техники. С почтением относятся к этим сплавам и ювелиры: они охотно изготовляют из них красивые изделия, всегда пользующиеся большим спросом. Детали химической аппаратуры и точнейших приборов, электроконтакты, хирургические инструменты, пружины, лабораторная посуда — вот далеко не полный послужной список сплавов платины с иридием.

Несколько лет назад этим сплавам предложили новую ответственную роль: из них были изготовлены зажимы электродов электрических стимуляторов сердечной деятельности. Электроды вживляются в сердце человека, страдающего стенокардией; в теле больного находится и крохотный приемник, присоединенный к электродам и генератору с кольцевой антенной, закрепляемой на теле рядом с приемником (генератор же может располагаться, например, в кармане костюма). Как только начинается приступ стенокардии, больной включает генератор. Поступающие при этом в кольцевую антенну импульсы передаются в приемник, из него — на электроды, а затем через платиноиридиевые зажимы — на нервы, которые заставляют сердце работать активнее.

Многие ценные свойства присущи и сплавам иридия с другими металлами. Широко известен природный сплав осмия и иридия — осмиридий (подробно о нем рассказано в очерке об осмии «Обида благородного металла»). Незначительные добавки иридия к вольфраму и молибдену позволяют им сохранять прочность при высоких температурах. Титан и хром без посторонней помощи снискали себе репутацию стойких борцов с кислотами, но иридий сумел повысить и без того высокие их антикислотные «личные рекорды».

Быть может, у читателя сложилось впечатление, что иридий успешно выступает лишь как «соучастник» крупных дел. Совсем нет: ему по плечу и отличные «сольные номера». У этого серебристо-белого металла не только приятная внешность, но и прекрасные физические данные. Он обладает значительной твердостью и прочностью, стойко сопротивляется высоким температурам, износу и другим опасным воздействиям. Его характерная черта-очень большая плотность (22,4 г/см3). В этом отношении он уступает лишь своему ближайшему соседу-осмию. Вместе с другими членами семейства платины иридий относится к благородным металлам. Столь знатное происхождение обеспечивает ему независимое положение в обществе любых кислот, которые не в силах подействовать на него ни при обычной, ни при повышенной температурах. Даже встреча с такой коварной и едкой особой, как царская водка, проходит для иридия бесследно, не оставляя никаких печальных воспоминаний. К сожалению, этого не скажешь о расплавленных щелочах и перекиси натрия — им иридий противостоять не в силах.

Несомненное достоинство иридия — его способность практически вечно сохранять свои ценные свойства, как бы ни менялись окружающие условия. Если бы не высокая стоимость (он дороже самой платины!), перед ним были бы распахнуты двери во многие сферы научной и инженерной деятельности человека. Пока же такая роскошь ученым и конструкторам часто не по карману, и поэтому иридий работает сегодня лишь там, где он практически незаменим. Так, из этого металла изготовляют лабораторные тигли для проведения опытов с грозным фтором и его агрессивными соединениями. Из иридия делают также мундштуки для выдувания тугоплавкого стекла. Для измерения высоких температур (2000–2300 °C) сконструирована термопара, электроды которой выполнены из иридия и его сплава с рутением или родием. Пока такой термопарой пользуются лишь в научных целях, а на пути внедрения ее в промышленность стоит все тот же барьер — высокая стоимость.

Весьма перспективны прочные и износостойкие иридиевые покрытия. Сегодня их применяют реже, чем, скажем, платиновые, палладиевые, родиевые. Это объясняется, пожалуй, прежде всего технологическими трудностями, возникающими при нанесении иридия на другие металлы. Иридиевое покрытие можно получить электролитическим путем из расплавленных цианидов калия и натрия при 600 °C. Несколько проще другой способ-плакирование. В этом случае на тот или иной металл накладывают тонкий слой иридия, а затем образовавшийся «бутерброд» попадает под горячий пресс, в результате чего покрытие прочно прилипает к основному металлу. Сходным способом изготовляют и иридированную проволоку: на заготовку из вольфрама или молибдена надевают «рубашку» — иридиевую трубку и горячей ковкой с последующим волочением получают биметаллическую проволоку нужной толщины. Такая проволока служит для производства управляющих сеток в электронных лампах.

Разработан и химический способ нанесения иридиевых покрытий на металлы и керамику. При этом на поверхность изделия наносят раствор комплексной соли иридия, например с фенолом или другим органическим соединением, и в контролируемой атмосфере нагревают изделие до 350–400 °C: органическое вещество улетучивается, а слой иридия остается.

В чистом виде либо в союзе с другими металлами иридий находит применение в химической промышленности: иридиево-никелевые катализаторы помогают получать пропилен из ацетилена и метана; платиновые катализаторы, в состав которых входит иридий, ускоряют реакцию образования окислов азота в процессе получения азотной кислоты.

Очень красивы и разнообразны по цвету соли иридия. Практической пользы эта красота пока не приносит, но зато именно ей элемент обязан своим названием. В 1804 году английский химик Смитсон Теннант, исследуя черный порошок, остающийся после растворения самородной платины в царской водке, открыл в нем два новых элемента. Соли одного из них были окрашены буквально во все цвета радуги. Теннанту не пришлось долго ломать голову в поисках подходящего для него имени: элемент был назван иридием, так как по-гречески «ириоэйдес» радужный.

Судьбы платиновых металлов переплелись настолько тесно, что рассказ об одном из них немыслим без упоминания о других. В 1840 году профессор Казанского университета К. К. Клаус заинтересовался проблемами переработки уральской платиновой руды. По его просьбе петербургский Монетный двор прислал ему пробы платиновых остатков — нерастворимого осадка, образующегося после обработки сырой платины царской водкой. «При самом начале работы, — писал позднее ученый, — я был удивлен богатством моего остатка, ибо извлек из него, кроме 10 % платины, немалое количество иридия, родия, осмия, несколько палладия и смесь различных металлов особенного содержания…»

Если в первое время Клаус ставил перед собой лишь чисто практическую цель — найти способ переработки остатков платиновой руды в платину, то уже вскоре эти исследования приобрели более глубокий научный характер и полностью захватили ученого. «Два полных года, — вспоминал Клаус, — я кряхтел над этим с раннего утра до поздней ночи, жил только в лаборатории, там обедал и пил чай, и при этом стал ужасным эмпириком». Последнее утверждение имело вполне конкретный смысл: по словам А. М. Бутлерова — ученика Клауса, тот «имел привычку… при растворении платиновых руд в царской водке мешать жидкость прямо всеми пятью пальцами и определял крепость непрореагировавших кислот на вкус». Впрочем, это было свойственно не только Клаусу, но и другим химикам старой школы, которые, получив какое-либо вещество, всегда «дегустировали» его (до середины XIX века при описании свойств вещества необходимо было указать и его вкус), подвергая себя большой опасности: так, знаменитый шведский ученый Карл Шееле погиб, попробовав на вкус полученную им безводную синильную кислоту.

Труды Клауса увенчались успехом: способ переработки платиновых остатков был найден, и теперь ученому предстояло ехать в Петербург, чтобы сообщить об этом министру финансов Е. Ф. Канкрину, заинтересованному в удачном решении проблемы. Для поездки в столицу Клаус вынужден был занять 90 рублей у одного из своих друзей (вернуть долг ученый смог лишь спустя несколько лет, когда приобрел всемирную известность). По приезде в Петербург Клаус был уже через два дня принят министром и добился от него санкции на получение необходимых для продолжения исследований материалов. Ему были выданы 1/2 фунта платиновых остатков и 1/4 фунта сырой платины.

Вернувшись в Казань, ученый вновь с головой окунулся в работу, которая продолжалась много лет и дала блестящие результаты. Важнейшим из них стало открытие в 1844 году неизвестного ранее химического элемента — последнего «русского члена платинового семейства». «Уже при первой работе, — писал Клаус, — я заметил присутствие нового тела, но сначала не нашел способа отделения его от примесей. Более целого года трудился я над этим предметом, но наконец открыл легкий и верный способ добывания его в чистом состоянии. Этот новый металл, который назван мною рутением в честь нашего отечества (от латинского названия России — С. В.), принадлежит без сомнения к телам весьма любопытным».

Но открытие Клауса не сразу получило признание. Первые пробы соединений нового элемента ученый послал в Стокгольм Й.Я. Берцелиусу, пользовавшемуся огромным авторитетом у всех химиков. Каково же было разочарование Клауса, когда он узнал, что, по мнению этого маститого ученого, присланное ему вещество не содержит новый элемент, а представляет собой плохо очищенное соединение иридия. Убежденный в своей правоте Клаус снова и снова проводил опыты, забывая порой об элементарных мерах защиты. Правда, спустя несколько лет ученый предупреждал своих коллег: «При работе с осмиевым иридием надобно остерегаться от паров осмиевой кислоты. Это весьма летучее вещество принадлежит к самым вредным телам и действует преимущественно на легкие и на глаза, производя сильные воспаления. Я много терпел от нее». Слишком велико было желание Клауса убедить научный мир в том, что действительно открыт новый элемент, и он, наконец, сумел это сделать. Препараты соединений рутения опять были посланы Берцелиусу, и тот, проведя тщательные исследования, понял, что прежде ошибался в своих выводах. «Примите мои искренние поздравления с превосходными открытиями и изящной их обработкой, — писал он Клаусу, благодаря им Ваше имя будет неизгладимо начертано в истории химии».

Итогом напряженной работы Клауса стал опубликованный в 1845 году труд «Химическое исследование остатков уральской платиновой руды и металла рутения», в котором впервые были всесторонне описаны и свойства иридия, причем сам Клаус отмечал, что иридием он занимался больше, чем другими металлами платиновой группы. Рекомендации ученого стали научной базой для создания технологии получения иридия и других платиноидов. В наше время чистый иридий выделяют из самородного осмиридия и из остатков платиновых руд, но прежде из них, действуя различными реагентами, извлекают платину, осмий, палладий и рутений и лишь после этого наступает очередь иридия. Полученный при этом порошок либо прессуют в полуфабрикаты и сплавляют, либо переплавляют в электрических печах в атмосфере аргона. При обычной температуре иридий хрупок и не поддается никакой обработке, но в горячем состоянии он более «сговорчив» и позволяет себя ковать.

Природа бедна иридием: земные запасы его не превышают миллионных долей процента. Во всех странах мира за год производится не более тонны этого металла. Но интерес ученых к нему не ослабевает. Все новые и новые области применения находят, в частности, радиоактивные изотопы иридия. Так, недавно специалисты центра атомных исследований в Кадараше (Франция) разработали гамматрон — чуткий прибор, позволяющий бдительно следить за состоянием мостов, плотин и других сооружений из железобетона: под действием гамма-лучей радиоактивного иридия-192 на стеклянной пластинке, покрытой светочувствительным слоем, появляется четкое изображение «внутренностей» контролируемых узлов и деталей. С помощью подобных дефектоскопов проверяют качество металлических изделий и сварных швов: на фотопленке фиксируются все пустоты, непроваренные места и инородные включения. В доменном производстве малогабаритные контейнеры с тем же изотопом иридия служат для контроля уровня материалов в печи. Поскольку часть испускаемых гамма-лучей поглощается шихтой, по степени ослабления потока можно достаточно точно определить, какое расстояние лучам пришлось «пробираться» сквозь шихту, т. е. выяснить ее уровень.

Кстати, об изотопах. Помимо уже известного вам иридия-192, имеется еще 14 радиоактивных изотопов этого элемента с массовыми числами от 182 до 198. У самого тяжелого изотопа — самая короткая жизнь: его период полураспада меньше минуты. Любопытно, что период полураспада иридия-183 — ровно час. Стабильных же изотопов у элемента всего два — иридий-191 и иридий-193. На долю более «весомого» из них в природной смеси приходится примерно 62 % атомов.

С изотопом иридия связано открытие так называемого эффекта Мёссбауэра, на котором основаны поразительно точные методы измерения малых величин и слабых явлений, широко применяемые в физике, химии, биологии, геологии. Этот эффект (или, выражаясь строго научно, резонансное ядерное поглощение гамма-квантов в твердых телах без отдачи) был обнаружен молодым физиком из ФРГ Рудольфом Мёссбауэром в 1958 году. За несколько лет до этого, когда учеба в Высшем техническом училище в Мюнхене подходила к концу, он стал подыскивать тему для дипломной работы. Один из профессоров любезно предложил студенту длинный перечень тем. Как вспоминает сам Мёссбауэр, ни одна из них не пришлась ему по вкусу, кроме последней (кстати, тринадцатой по счету), главное достоинство которой, по мнению будущего физика, заключалось в том, что он не имел о ней ни малейшего представления. Речь шла о резонансном поглощении гамма-квантов атомными ядрами. «Самым главным, — вспоминает физик, — было то, что меня ткнули носом в это дело».

И «это дело» пошло на лад. Сначала был защищен диплом, спустя два года пришел черед диссертации, а еще через год состоялось открытие. Работая в Гейдельберге, в Институте медицинских исследований имени Макса Планка, ученый продолжал заниматься резонансным поглощением. Специальным счетчиком он определял число гамма-квантов, прошедших через металлический иридий, точнее, через один из его изотопов; источниками этих гамма-квантов были возбужденные атомные ядра того же самого изотопа. Ядра, пребывающие в обычном состоянии, могут также «возбудиться», но для этого они должны, поглотив гамма-квант, получить такое количество энергии, которое в точности соответствует разности между энергиями ядра в возбужденном и основном состояниях (это поглощение и называется резонансным). Обычно же энергия гамма-квантов оказывается чуть меньше, чем нужно, так как часть ее теряется при испускании на отдачу испускающего ядра (нечто подобное происходит, например, при выстреле из пушки или ружья).

Чтобы устранить некоторые побочные процессы, способные исказить результаты опытов, Мёссбауэр решил охладить иридий до температуры жидкого азота. При этом он полагал, что из-за уменьшения скорости движения ядер резонансное поглощение уменьшится, а число прошедших через иридий гамма-квантов соответственно возрастет (того же мнения придерживались и другие физики). К удивлению экспериментатора все оказалось наоборот. В чем же причина?

Ученый делает вывод: в твердых телах при достаточно низкой температуре отдачу воспринимает не отдельное ядро, а все вещество в целом, и поэтому потери энергии на отдачу исчезающе малы, т. е. энергия гамма-кванта точно равна разности энергии ядра в возбужденном и основном состояниях. Это открытие было признано одним из наиболее важных научных событий нашего времени (в 1961 году Мёссбауэр удостоен Нобелевской премии).

Сегодня эффект Мёссбауэра обнаружен уже на нескольких десятках элементов, но история науки навсегда связала открытие этого важнейшего физического явления с героем нашего рассказа — иридием.