Оповідання з хімії

На столі переді мною лежить географічна карта. Вигляд у неї досить незвичайний. Ось начебто і знайомий чобіток Італії. Але чому Сіцілія так неприродно сплющена? Та й сама Італія схожа на глибоку хатню пантофлю, а не на витягнутий чобіт. А це, мабуть, Греція? А чому вона така? Чому вона врізалась так далеко в море? Нема сумніву, що вона вклиниться в африканське узбережжя.

Це — карта Землі, складена стародавніми греками. Такою уявляли собі нашу планету елліни дві тисячі років тому. Всі їх відомості про навколишній світ обмежувались берегами Середземного моря.

На географічних картах середньовіччя вже проступають контури віддалених областей Азії й Африки. В XIV столітті на них з’явилась назва «Індія». Туди, в ті далекі землі, названі пізніше Америкою, потяглись каравели завойовників, запалених жадобою наживи. Ще пізніше на географічних картах з’явилися обриси полярних земель. І вже, можна сказати, на наших очах на картах почала вимальовуватись загадкова Антарктида. Тільки останнє століття дало нам повну картину Землі. Хай не всі області нашої планети детально обстежені, але ми твердо знаємо, куди потрібно направляти експедиції для їх докладного вивчення.

Для географії часи мандрувань навмання, за принципом «а може щось зустрінеться, може на щось цікаве наткнусь», минули ще років 500 тому. Зовсім інше становище в хімії. Там «мандрували» без карт ще якихось років 100 тому… Читач спитає: «Дозвольте, які ж карти можуть бути у хімії»? Виходить, можуть.

У давнину в своїй практичній діяльності люди застосовували сполуки лише 19 елементів. Та й це застосування було, так би мовити, несвідоме. Якщо на хвилинку уявити собі, що ми запитали якогось староримського вченого, скільки хімічних елементів йому відомо, то він навряд чи зміг би назвати більше п’яти-шести: золото, срібло, мідь, залізо і сірка. Як бачимо, хімічний світ у давнину був такий же обмежений, як і географічний.

На жаль, розширення хімічних горизонтів ішло значно повільніше, ніж географічних. Дванадцять століть нашої ери додало до цих п’яти тільки шість назв і всього стало одинадцять.

XIX ст. принесло великі відкриття. На початку минулого століття був відомий тільки 31 елемент, а в середині XIX ст. хімік міг назвати вже 60 елементів.

Шістдесят… А скільки їх повинно бути всіх? Сто? Двісті? — А може відкриті вже всі? Відповів на ці запитання геніальний російський вчений Д. І. Менделєєв. Він впевнено позначив у періодичній системі, які елементи ще не відкриті, скільки їх може бути відкрито взагалі, де слід шукати ці елементи і ще багато дечого, що й зробило періодичний закон міцним фундаментом грандіозної споруди сучасної хімії.

Періодична система елементів Д. І. Менделєєва була по суті першою «хімічною картою». Менделєєв цілком точно вказав, які елементи і з якими властивостями ще слід відкрити. Всі знають приклад з елементом екасиліцієм, тобто германієм, властивості якого Менделєєв визначив за кілька років до його відкриття з точністю, гідною подиву.

Тепер, дивлячись на свою карту, хіміки, точно знають, де лишились «білі плями» і куди «вирушати», шукаючи нових елементів, бо періодичний закон дав можливість створити одне з основних положень науки, що називається геохімією, тобто хімією Землі, а саме: елементи, схожі за своїми властивостями, завжди супроводжують у земній корі один одного. Якщо, наприклад, не був відомий елемент з порядковим номером 75, то в таблиці Менделєєва виразно видно, що цей елемент міститься в VII групі періодичної системи і мусить зустрічатися в молібденових рудах. І дійсно, вперше елемент 75 — реній знайшли там.

Історія відкриття кожного нового елемента сповнена захоплюючих моментів і ще більше — копіткої праці.

Для нас важливо інше: якщо за весь час розвитку людства відкрито 60 елементів, то за 90 років з часу відкриття періодичного закону науці стало відомо ще понад 40.

Та цим не вичерпується аналогія періодичної системи елементів з географічною картою. Якби комусь спало на думку розмалювати таблицю Менделєєва так, як це роблять картографи, то вийшла б дуже цікава картина. «Білих плям» на карті не було б. Та цілий ряд клітин таблиці Менделєєва виявився б, як Антарктида на географічній карті, лише злегенька проконтурований тоненькою смужкою зеленої фарби (так географи позначають малодосліджені області нашої планети). На хімічній карті це означало б, що даний хімічний елемент вивчений недостатньо, а то й зовсім не досліджений.

Очевидно, не доведеться довго шукати причину, внаслідок якої одні елементи вивчені краще, а інші — гірше. Звичайно, хімія заліза, відомого людям з давніх-давен, розроблена краще, ніж хімія гафнію, відкритого кілька десятиліть тому. Але це тільки половина пояснення. Щоб відшукати другу його половину, треба переглянути таблицю.

Якщо подивитись на таблицю, де наведені дати відкрить кожного елемента, то тільки-но висловлена думка буде далеко не беззаперечною. Справді, елемент ітрій став відомий вже у XVIII ст., а проте ми знаємо про нього менше, ніж, наприклад, про натрій, магній, або алюміній, відкриті в XIX ст.

Отже, не тільки «вік» елемента визначає ступінь знання його. Що ж тоді ще? Відповідь на це нам знову-таки дадуть таблиці…

Вміст елементів у земній корі

Під час перерви в роботі однієї з нарад хіміків, яка відбулась кілька років тому, мою увагу привернула жвава розмова. Кілька поважних вчених обговорювали щось і поспішно підраховували на клаптиках паперу. Мова, як виявилось, йшла про те, скільки хімічних елементів бачив за своє життя кожний з них. Першість випала одному професорові, який вже тримав у руках сполуки 60 елементів. Символами цих 60 елементів був густо списаний весь папірець, і по обличчях співрозмовників професора можна було не сумніватися, що вони вважають це число більш ніж значним.

Шістдесят елементів… Адже це тільки трошки більше, ніж половина відомих нам тепер «цеглинок всесвіту»!

Секрет того, що багато хімічних елементів сховано від людини за сімома замками, стане зразу ж зрозумілим, як тільки глянемо на таблицю, де вказано вміст елементів у земній оболонці (до земної оболонки відносять літосферу — материки і ложа морів та океанів на глибину до 16 кілометрів, гідросферу — ріки, моря та океани, атмосферу — повітряну оболонку нашої планети).

Виявляється, вміст хімічних елементів у земній оболонці не однаковий. Так, вміст кисню перевищує вміст полонію, наприклад, у 10¹⁵ або в мільйон мільярдів раз! Ця нерівномірність розподілу елементів у земній корі стане ще очевиднішою, коли розташувати хімічні елементи в один ряд у міру зменшення їх вмісту.

Перші три члени цього ряду — кисень, кремній, і алюміній — складають 82,6 % ваги земної оболонки. Якщо до цих трьох елементів додати вміст ще шістьох — заліза, кальцію, натрію, магнію, калію і водню, то вони складатимуть вже 98,13 % ваги земної оболонки. А на частку всіх інших 79 елементів (я не беру до уваги елементи, добуті штучно) припадає лише 1,87 % ваги земної кори.

Отже, причиною неодноразового ступеня вивчення тих чи інших елементів є не тільки час їх відкриття, а й наявність їх у земній корі. Не випадково вагові проценти елементів, відкритих останніми, — гафнія і ренія — становлять відповідно 4∙10^–4 і 10^–7%. Такий перший і, безсумнівно, правильний висновок з розгляду таблиці вмісту елементів у земній корі.

Хтось сказав, що вся наука складається з «але». Це — перебільшення, але не неправда. Таке «але» є і в даному разі. Гляньте на таблицю розподілу елементів уважніше.

Цікаво, який вміст елемента скандія, що дуже рідко зустрічається? Лише кілька десятитисячних часток процента. Справді, мало хто з хіміків може похвалитися тим, що бачив хоч одну із сполук цього елемента. Та ось сусідній в алфавітному списку елемент — срібло. Як відомо, його вважають дорогоцінним металом, але ніхто ке скаже, що срібло надто рідкісне. Мабуть, не знайдеться такої сім’ї, де б не було хоч малесенької дрібнички із срібла. А в хімічних лабораторіях азотнокисла сіль срібла — один з поширених реактивів. Солі срібла часто зустрічаються і в побуті, зокрема поверхня фотопаперу вкрита галоїдними сполуками цього металу. І все-таки срібла в земній корі вдвічі менше, ніж скандію, який вважається дуже рідкісним металом.

Елемент галій — дуже рідкісний. Тільки останнім часом у деяких лабораторіях стали з’являтися сполуки цього елемента в кількостях, які рідко перебільшують десяток — другий грамів. А звичайнісінький для хіміків елемент кадмій, солі якого кілограмами можна знайти навіть у шкільному кабінеті, зустрічається в земній корі в кількостях майже в 100 раз менших, ніж галій. Рідкісного металу германію в земній корі міститься майже в 40 раз більше, ніж такого звичайного в побуті елемента, як йод, і вдесятеро більше, ніж сурми і вісмуту.

Можна навести ще багато подібних прикладів, але й з цих вже ясно, що ваговий вміст елемента в земній корі ще не визначає його «доступність». А саме від «доступності» залежить, чи елемент рідкісний, чи звичайний.

Елементи зустрічаються в земній корі по-різному: одні сконцентровані у вигляді руд або значних домішок до мінералів, а інші знаходяться в «розмазаному» стані. Олова і ітрію в земній корі приблизно однакова кількість (відповідно 0,004 і 0,003 %). Але олово зустрічається в досить концентрованих рудах (наприклад, у мінералі каситериту), а ітрій не має своїх руд, він зустрічається у вигляді незначних домішок до різноманітних мінералів.

Можна сказати, що у вивченні того чи іншого елемента значну роль відіграє не тільки його вміст — «положення», а й легкість «підходу» до нього — характер залягання в земній корі. Справді, практика показала, що легше дістатися до віддалених берегів Антарктиди, ніж піднятися на вершину Джомолунгми, яка знаходиться порівняно недалеко від густонаселених місць Азії.

Ми з’ясували питання, яке спочатку здавалося навіть несерйозним: чому різні елементи неоднаково вивчені. І зразу ж напрошується друге запитання: навіщо, власне, знати однаково детально властивості всіх хімічних елементів? Хіба й так не видно, що елемент залізо для нас значно важливіший, ніж, скажімо, той же ітрій?

Відповім одразу: мало вивчені елементи періодичної системи криють у собі такі можливості, які можуть здивувати навіть багатих на уяву авторів науково-фантастичних романів.

Уран та лантаноїди

Коротко розглянемо деякі властивості рідкісних елементів і те, що може дати народному господарству докладне вивчення їх. Почнемо з урану, одного з останніх елементів періодичної системи.

Цей елемент, відкритий ще в XVIII ст., понад 100 років не викликав ніякого інтересу вчених. Дещо збільшився інтерес до урану наприкінці минулого століття, коли відкрили явище радіоактивності. Та й після цього інтерес до сполук урану був чисто академічний. І коли в старих підручниках повідомляли, що уран іноді застосовується в керамічній промисловості і у виробництві фарби «уранова жовта», то робили це насамперед тому, що про застосування такого елемента більше нічого не могли сказати. Та й фарби цієї у всьому світі приготували, можливо, одну-дві тонни.

Значення уранових родовищ зросло, коли з’ясувалось, що з цих руд можна добувати радій, але оскільки після відкриття радію він кілька десятиліть ще застосовувався виключно для наукових цілей, то й виходить, що про практичне використання урану та його сполук до початку 40-х років не могло бути й мови.

Та ось над Хіросімою і Нагасакі навис зловісний гриб атомного вибуху, і все зразу змінилось. Уран з звичайного хімічного елемента перетворився в один з найважливіших стратегічних матеріалів.

З урану виділяють ізотоп з атомною вагою 235, з нього ж таки добувають елемент плутоній. Ці два елементи і є вибуховою речовиною в атомних, водневих та подібних до них бомбах.

У Канаді є так зване Ведмеже озеро. Колись на його берегах виявили поклади урану. Ні одна газета не присвятила цьому відкриттю жодного рядка. Але як тільки з’ясувалась роль урану у виробництві атомної зброї, американські монополії кинулись в Канаду. Одна за одною лопались різні компанії, а на їхнє місце з’являлись інші. Виникали організації по закупці «пшениці», хоч жодна зернина й не покинула землю Канади завдяки зусиллям цих американських компаній. Всіх хвилювало одне: уран. Довго велася б ця, дуже характерна для капіталістичного світу боротьба, якби уряд Канади не зрозумів важливості атомної проблеми і не прибрав цю справу до своїх рук.

Уранова гарячка й не думала вщухати. Роздувши історію одного ірландця, який за допомогою сконструйованого ним радіометра відкрив невеличке уранове родовище, компанії почали наживати шалені гроші на продажу таких радіометрів. Тисячі людей кинулись у гори, у віддалені райони капіталістичного світу аби тільки знайти уран і розбагатіти. Почалася «уранова лихоманка»…

Ця лихоманка не вщухла і досі. Урановий «вірус» проник навіть на сторінки серйозних наукових журналів. Вони пропагують тепер різні типи радіометрів для людей, які прагнуть до наживи. Тільки одного не пишуть ці журнали, а саме: що цей уран перетвориться в ядерні вибухи, в мільйони радіоактивних осколків, які заражатимуть повітря і воду. Не пишуть вони також, для якої мети виготовляються сотні і сотні нових атомних бомб.

Тим часом повідомлення про досягнення радянської науки й техніки у мирному використанні атомної енергії зустрічаються зарубіжною капіталістичною пресою недоброзичливо. Неважко уявити собі, з якою злобою зустріли вони повідомлення про пуск першої в світі атомної електростанції під Москвою, про атомний криголам «Ленін».

Чи варто говорити, що практична потреба застосування урану примусила докладно розробити хімію цього елемента. І якщо в минулому всі відомості про хімічні властивості 92-го елемента вільно вміщались на 3–4 сторінках середнього формату, то зараз ці відомості не вмістяться в десяток товстенних томів. Так була стерта одна з білих плям на хімічній карті. Тільки одна назва, а скільки нового й цікавого внесено в науку і техніку, скільки змінилося в житті людини!

Таких маловивчених ділянок ще багато на хімічній карті. Поглянемо на одну з них. Це сімейство III групи періодичної системи — сімейство лантаноїдів. Ці 15 елементів дуже подібні за своїми властивостями один до одного, тому їх і розташували в одній клітині періодичної системи елементів, проставивши їх порядкові номери: 57–71. Власне кажучи, вони подібні один до одного не тому, що містяться в одній клітині менделєєвської таблиці, а тому, що зовнішня електронна оболонка у всіх побудована однаково.

П’ятнадцять «близнят» нерозлучні не тільки в періодичній системі, а і в природі. їх неможливо зустріти окремо одно від одного. Та хіміків ця зворушлива дружба не дуже тішить. Навпаки, вона завдає їм багато прикростей, бо подібність цих елементів утруднює їх розрізнення і поділ. Довгий час — аж до створення електронної теорії атома — не знали навіть, скільки їх повинно бути, бо ніхто ніколи не був упевненим, чи не є який-небудь елемент із сімейства лантаноїдів сумішшю кількох елементів. А з лантаноїдами, або, як їх називали хіміки минулого століття, рідкісними землями, такі помилки вже траплялись.

Довгий час у хімічній літературі минулого століття зустрічались вказівки на елемент діодим. Тільки в 1880 р. з’ясувалось, що це суміш кількох рідкісноземельних елементів, з якої пощастило виділити елементи неодим і празеодим. Ще в останньому виданні знаменитої книги Д. І. Менделєєва «Основи хімії» висловлювалось припущення, що при уважному дослідженні з цих елементів можна буде виділити нові рідкісноземельні елементи.

Рідкісноземельні елементи дістали таку назву, бо вважалось, що вони дуже рідко зустрічаються в покладах. Однак в останні роки було доведено, що це не зовсім так. Таблиця вмісту елементів у земній корі свідчить, що деякі рідкісноземельні елементи зустрічаються в значно більших кількостях, ніж елементи, які прийнято вважати поширеними. Неодиму в земних надрах міститься приблизно стільки ж, скільки й кобальту, і поклади цих елементів не така вже й рідкість. У Радянському Союзі, наприклад, на Кольському півострові, відкрито великі поклади апатитів, які містять рідкісноземельні елементи. Проте виділити їх так важко, що до останнього часу хімія цих елементів являла собою, образно кажучи, цілину.

Ось елемент тулій. Якщо його помістити в ядерний реактор, то в результаті опромінення утвориться радіоактивний ізотоп тулію з атомною вагою 170. Він випускає γ-промені, які майже тотожні з рентгенівськими. Отже, майже невидимий для ока кристалик радіоактивного тулію може замінити громіздке рентгенівське устаткування, для якого потрібні велике приміщення і багато електроенергії. Рентгенівські апарати, які будуть створені на основі тулію, легко вміщуватимуться в портфелі середньої величини. Ці апарати стануть такими ж кишеньковими приладами для лікарів, як і стетоскопи, якими вислуховують серце.

Незамінними будуть прилади з радіоактивним тулієм для працівників, контролюючих якість виробів з металу. Промені, які випускає цей елемент, дозволяють заглянути в глибину металу. Найменша тріщинка, пустота всередині деталі не пройдуть повз увагу всюдипроникаючих γ-променів тулію. Цей прилад називається γ-дефектоскоп, він може вміститися в невеличкому чемоданчику контролера.

Або рідкісноземельний елемент церій. Сплави з цим елементом мають дуже важливу в практичному відношенні властивість: при незначному співударі з твердим предметом з них вилітає сніп іскор. Завдяки цій властивості церій — мабуть єдиний з рідкісноземельних елементів, з яким знайомі майже всі, бо він лежить в основі «камінців» у запальничках.

Дедалі більше використовуються рідкісноземельні елементи у виробництві скла і кераміки. Завдяки тому, що лантаноїди добре вбирають нейтрони, скло, до складу якого введені ці метали, не змінюється під дією радіоактивного рентгенівського випромінювання. Оскільки приладів, де застосовуються радіоактивні ізотопи, стає чимраз більше, то перспективу лантаноїдів у даному випадку переоцінити неможливо.

Важливе застосування рідкісноземельні елементи знайдуть у металургії. Введення церію в магнійові і алюмінійові сплави значно підвищує їх міцність, а це дуже важливо, бо сплави цих металів досить м’які, і тому застосування їх у промисловості обмежене. Додача рідкісноземельних елементів до чавуну дуже зменшує його крихкість і в такій же мірі збільшує міцність. Такий чавун можна навіть обточувати на токарних верстатах. Цікаво, що домішувати лантаноїди треба всього в кількості від ¹/₃ до 2 кг на 1 т чавуну. Рідкісноземельні елементи для цього не треба відокремлювати один від одного, — їх застосовують у вигляді «мішметалу», тобто сплаву кількох лантаноїдів.

Велике майбутнє належить також елементу прометію. Ми вже згадували про мініатюрні атомні батарейки, виготовлені на основі цього елемента. Підрахунок того, що може дати прометійова батарейка розміром хоча б з куряче яйце, є тільки арифметичною вправою. Тут читач може дати повну волю фантазії. Можна не сумніватися, що років через 15 у поясненні до набору дитячого «конструктора» буде текст: «Джерело живлення двигуна — прометійова батарея».

Питання практичного застосування рідкісноземельних елементів стали предметом багатьох досліджень. Протягом найближчого десятиліття буде створена повна картина хімії цих елементів. Хочеться думати, що в ліквідації цієї «білої плями» на хімічній карті візьмуть участь і читачі нашої книги.

Реній

На хімічній карті ще багато «білих плям». Чимало доведеться ще зробити нинішнім і майбутнім дослідникам, поки більшість малодосліджених елементів стане на службу людині. Не будемо спинятись докладно на характеристиці кожної «білої плями», та про деякі з них просто необхідно згадати.

До таких малодосліджених областей хімічної карти належить 75-а клітина періодичної системи — елемент реній. З усіх елементів, які існують у земній корі, реній найпізніше відкрив своє обличчя. Тільки у 1925 р. в клітині № 75 замість знака запитання з’явився символ Re.

Всі елементи періодичної системи, які стали відомі науці після відкриття ренію, добуті штучно. Можливо, через це й історія відкриття ренію незвичайна.

Жоден з природних хімічних елементів стільки часу не був загадкою для хіміків, як цей тьмяно-сріблястий метал, який на перший погляд нічим особливим не виділявся серед інших, хіба що великою питомою вагою. Багато разів, коли вже ось-ось його мали відкрити, реній «тікав» з рук дослідників: то не підтверджувались початкові дані, то не відтворювались досліди, то бракувало терпіння, яке навіть у хіміків може увірватись.

У 1869 р. цей елемент добув дослідник Гіяр; він дав йому назву уралій, але згодом спростував власні дані. Цим самим він уник сумної долі хіміка Розе, радісне повідомлення якого про відкриття ним у 1846 р. елемента «пелопію» було спростоване зразу ж кількома дослідниками. Така ж доля спіткала і елемент ніпоній, описаний у 1906 р. Огавою, і люцій Барр’єра (1896 р.) та ін.

Помилки не було лише в одному випадку. 27 червня 1877 р. з’явилось повідомлення російського хіміка С. Керна про те, що в залишках після переробки платинових руд він виявив новий елемент, який запропонував назвати на честь знаменитого англійського хіміка девієм. Визначення атомної ваги та властивостей девію показали, що він має зайняти в періодичній системі місце, уготоване Д. І. Менделєєвим для елемента двімарганцю.

Років через 20 американський хімік Мале повторив досліди Керна, але з платинових залишків не зміг одержати виділений російським вченим елемент. Чи тут відіграло роль те, що платинова руда була іншого походження, чи те, що Мале був малодосвідченим хіміком, але відкриття не підтвердилось — в клітині знову стояв знак запитання.

Тільки тоді, коли існування елемента 75 — ренію беззаперечно довели Ноддак, Таке і Борг, хіміки звернули увагу на те, що всі реакції, описані Керном для девію, тотожні з реакціями ренію. Майже на 50 років критика несправедливо відсунула час такого чудового відкриття.

І тепер, через 35 років після відкриття ренію, про цей елемент, як і раніше, відомо дуже мало. Причина цього: реній — надзвичайно рідкісний і до того ж розсіяний елемент. Вміст ренію в земній корі — одна десятимільйонна частка процента. До того ж майже не зустрічаються мінерали, які б хоч у незначній мірі були збагачені ренієм. У свій час Ноддак із співробітниками, шукаючи елемента 75, детально вивчив склад майже 1800 мінералів. У жодному з них реній не виявлено. Тільки знайдена недавно руда молібденіт порівняно багата на реній. А втім, слово «багата» тут явно відносне. Щоб добути 1 ке ренію — кусок металу, який займає півдолоні —, доводиться переробити таку кількість цієї «багатої» руди, на яку потрібно кілька сот залізничних вагонів.

І все ж реній — один з металів майбутнього. Не біда, що зараз його добувають тільки тоннами, — в 40-х роках його добували лише кілограмами, а наприкінці 20-х років — грамами.

Реній — один з найтугоплавкіших металів. Тепер, коли з високими температурами доводиться мати справу в багатьох галузях техніки, ця властивість надзвичайно цінна.

Друга дуже цінна властивість ренію — хімічна інертність. Навіть при 1600° він не сполучається з киснем повітря. При звичайних температурах він зовсім незмінний. Блискуча пластинка з ренію не потьмяніє ніколи. Більшість кислот, навіть гаряча плавикова кислота, прославлена своєю агресивністю, на нього не діє. Невеликий додаток ренію до сплавів робить їх кислотостійкими. Хімічна апаратура, виготовлена із сплавів ренію, служить на десятки років довше, ніж та, що з звичайних сплавів.

У майбутньому реній замінить вольфрам у багатьох галузях техніки, бо при високих температурах реній міцніший. Вже тепер у найбільш цінних машинах поверхні деталей, які швидко спрацьовуються від тертя при високих температурах, покривають ренієм. Крім того, реній дуже легко і добре утворює електролітичні покриття, а це теж цінна властивість.

Отже, одна галузь застосування ренію полягає у використанні його прекрасних механічних якостей і хімічної інертності. Але наскільки реній інертний в реакціях з одними речовинами, настільки він активний до реакцій інших речовин, тобто він виявився чудовим каталізатором багатьох важливих хімічних реакцій. Реній-каталізатор — друга велика галузь застосування цього металу майбутнього.

Через кілька років після відкриття ренію довідались, що він каталізує реакцію взаємодії вуглекислого газу з воднем. Продуктом реакції при цьому є метан. Важко переоцінити значення такої реакції. Метан — чудове висококалорійне пальне, яке легко транспортується, не коптить, не димить. Найголовніша цінність метану та, що він може бути сировиною для одержання багатьох хімічних продуктів.

Вуглекислий газ і водень — побічні продукти багатьох виробництв. При згорянні вугілля і нафти в повітря за добу виділяється сотні тисяч тонн вуглекислоти. Водень теж утворюється як побічний і до того ж шкідливий продукт при електролізі цинку і багатьох інших металів. Реній дозволяє легко і просто перетворювати ці відходи виробництва в цінний продукт для народного господарства. Окиси ренію, як виявилось, прекрасно каталізують такий важливий для хімічної технології процес, як окислення киснем повітря сірчистого газу, а саме на цій реакції оснований процес добування сірчаної кислоти.

Тепер вже ясно — майбутнє за ренієм. Основне завдання — вишукати методи швидкого й дешевого видобування його з руд. Над цим варто потрудитись.

Титан

Якщо від відкриття до практичного застосування ренію минуло не більше десятка років, то протилежна доля спіткала інший елемент періодичної системи — титан. Його відкрили в 1795 р. Німецький хімік Клапрот назвав його так на честь Титана, міфологічного сина Землі. Навряд чи вчений пророкував цією назвою своєму «хрещенику» велике майбутнє, — просто в той час була мода на еллінську міфологію. Та зовсім несподівано назва ця згодом стала пророчою.

Титан ніяк не можна зарахувати до рідкісних елементів, бо тільки 8 елементів є в земній корі в більших кількостях. Проте майже до кінця минулого століття він «ходив» у безумовно рідкісних металах. Та і тепер дехто з хіміків і особливо металурги дивляться на цифру вагового вмісту титану в земній корі просто як на цифру, а нишком кладуть мінерал на полицю рідкісних.

Та як не вважати його рідкісним, коли добувати його у вільному стані навчились лише півсотні років тому? Певно, тоді ж склалась думка, що титан належить до розсіяних металів, тобто до таких елементів, які хоч і зустрічаються в земній корі в значній кількості, але не мають концентрованих руд і мінералів. Склалась така думка, мабуть, тому, що ні в кого не виникло особливого бажання шукати поклади титану, бо зразу ж після виділення перших порцій йому був винесений суворий вирок: цей метал за своїми якостями безперспективний, бо неміцний, крихкий, погано піддається механічній обробці. Видобувати титан і виділяти його в чистому вигляді важко. А коли так, то чи не краще зовсім відмовитись від спроб застосування його в промислових цілях? Подумали і… відмовились.

Ось чому ще років 25 тому металевий титан можна було побачити хіба що в демонстраційних колекціях на лекціях з неорганічної хімії. Та й то професор, виймаючи з жилетної кишені запаяну пробірку з непоказним темним порошком, не пускав її по руках, щоб бува не розбили, а лише вдавався у спогади, як йому дістався цей зразок.

У міру наближення до сорокових років хімікам з кожним роком ставала все більш очевидною ідея, що некорисних хімічних елементів нема і бути не може. В числі інших елементів титан почали докладно досліджувати, і результати не забарились. У 1947 р. одержали перші дві тонни відносно чистого металевого титану. За якихось вісім років ця цифра виросла в десять тисяч разів. Десять тисяч! Для цього гігантського стрибка були поважні причини.

Почати з того, що титан має найбільшу серед усіх металів питому міцність (питома міцність — це міцність, віднесена до одиниці ваги). Питома вага титану лише в 1,7 раза більша, ніж алюмінію, але міцність його втричі більша. Ось і виходить, що титанова деталь може мати вдвічі меншу вагу і в той же час не поступатися міцністю перед алюмінієм. Як тільки про це дізнались авіаконструктори, вони зразу ж насторожились. Для них це дуже цінна властивість. Адже більшого ворога, ніж вага різних частин повітряного корабля, нема. Святом для конструктора є той день, коли йому вдається знайти спосіб зменшити вагу якогось вузла літака хоча б на кілька сот грамів.

У наш час загального поширення набула реактивна авіація. З’явились літаки різних конструкцій і різноманітних призначень. Головним «героєм», який зумовив такий прогрес у літакобудуванні, є титан, той самий титан, якому ще 50 років тому не надавали ніякого значення.

Обшивка літаків, що летять із швидкістю звуку, нагрівається при терті об повітря до температури вище 300°. Алюмінійові сплави при такій високій температурі втрачають свою міцність, стають дуже м’якими. Титану ж таке нагрівання не страшне. Навіть при нагріванні ще на 100° він лишається таким самим міцним і твердим.

Титан — найтугоплавкіший з так званих «легких» металів. Мабуть жодний елемент періодичної системи не має такої величини відношення температури плавлення до питомої ваги, як титан.

Велике майбутнє титану пророкується не тільки через його виключну міцність або високу тугоплавкість, а ще й через те, що цей метал один з найінертніших у відношенні до різноманітних хімічних впливів. Більшість металів добре розчиняється в соляній або сірчаній кислотах. Майже всі метали розчиняються в азотній кислоті. Для стійких металів до цих кислот існує спеціальний розчин — «царська водка» — суміш соляної та азотної кислот. «Царською» ця суміш називається через те, що вона розчиняє «царя» всіх металів — золото. Титан же стійкий навіть до цієї агресивної суміші. Відполірована пластинка титану в розчині кислоти майже не тьмяніє.

Титан не піддається корозії. Вироби з титану зовсім не змінюються, навіть коли перебувають в умовах, в яких залізні вироби через кілька місяців перетворюються в бурий порошок. Підводні частини кораблів, зроблені з титану, не бояться морської води, яка є активним руйнівником інших металів.

Не менш чудові властивості мають сполуки і сплави, до яких входить титан. Досить домішати до сталі лише 0,1 % титану, щоб вона стала твердою і еластичною. Кербід титану — сполука титану з вуглецем — надтверда речовина, яка входить до складу багатьох сплавів. Вони використовуються для виготовлення різців. Такі ж властивості має нітрид титану — сполука його з азотом.

Дуже чистий титан добре кується, легко витягається в дріт і може розкачуватись в фольгу завтовшки в тисячні частки міліметра.

Чудові властивості титану, здається, розкриті повністю. Залишилось тепер тільки одне — дати цьому елементу широку дорогу у промисловість. Та це не легко, бо виробництво титану у всьому світі нараховується десятками тисяч тонн, а для того, щоб повністю задовольнити промисловість, його необхідно добувати в сотні разів більше.

Поклади титану тепер розвідані в достатній мірі, але все ще лишається проблемою виділення металів з його руд. Наскільки метал титан інертний до впливу різних хімічних агентів, настільки він, будучи сполучений з різними хімічними елементами — киснем, хлором та ін., не хоче з ними розлучатися. Вилучення титану з руд — дуже важка справа. Титан інертний при низьких температурах, а при високих стає дуже хімічно активним. Ця активність така велика, що він сполучається навіть з матеріалом посудини, де відбувається плавка. Ось чому добувати металічний титан важко і чому вартість його, хоч і зменшується з кожним днем, все ще порівняно висока.

Розв’язання проблеми дешевого й ефективного методу добування титану — програма найближчого часу. Майбутньому дослідникові є над чим попрацювати!

Ми заглянули ще в одну область «хімічної карти». Тільки одна клітина періодичної системи, тільки один елемент, про який ще зовсім недавно знали дуже мало і в майбутнє якого ніхто не вірив, стає однією з основ техніки нашого комуністичного завтра.

Найлегші

Перші два елементи періодичної системи Д. І. Менделєєва — водень і гелій — гази. Третій елемент — літій — наймолодший серед великої сім’ї відомих нам металів. Якби комусь заманулося серед металів виявити рекордсменів, то літій зайняв би одно з перших місць.

По-перше, він серед усіх відомих нам металів має найменшу атомну вагу. Через це він стоїть на початку періодичної системи.

По-друге, він легший від будь-якого іншого металу: в 15 раз легший від заліза і має вдвоє меншу густину, ніж дерево. Літій добре плавав би на воді, якби він тільки не взаємодіяв з нею. Зроблений з літію автомобіль легко міг би штовхати навіть підліток, якби тільки… літій енергійно не сполучався з киснем і навіть з азотом повітря.

По-третє, у літію величезна різниця між температурою плавлення і температурою кипіння — майже 1200°. Порівняйте цю цифру з аналогічною величиною для води, тобто 100°.

По-четверте, літій має феноменальну здатність сполучатися з багатьма газами, в тому числі й азотом, який взагалі неохоче реагує з іншими речовинами.

По-п’яте, а втім, досить і переліченого, щоб стало ясно — літій в усіх відношеннях посідає видатне місце серед інших елементів періодичної системи.

А тим часом у земній корі літію більше, ніж олова чи ртуті. І мінерали, які містять в собі літій, зустрічаються не дуже рідко. Причиною недостатнього застосування цього металу є те, що властивості його недостатньо вивчені.

Давно відомо, що літій може сполучатися з воднем, утворюючи гідрид літію. Ця сполука цікава тим, що 1 кг її містить 1500 л водню, який легко виділяється, коли гідрид літію облити водою. Хто міг знати, що ця сполука, яку хіміки нічим не виділяли серед інших десятків тисяч неорганічних сполук, стане в наш час такою популярною?

Власне кажучи, мова йде не про гідрид, а про дейтерид літію — сполуку цього металу з ізотопом водню дейтерієм. З хімічної точки зору різниці між ними нема ніякої. Ця речовина є основним зарядом так званих водневих бомб. Під впливом нейтронного випромінювання «запалу» цих бомб частина дейтерію перетворюється в тритій, а потім уже при температурі вибуху уранового або плутонійового заряду (300 000°) атоми тритію і дейтерію сполучаються один з одним, утворюючи елемент гелій. Ця реакція має такий вигляд:

При цьому виділяється колосальна кількість енергії. Енергія ця звільняється в результаті явища, яке дістало назву «дефект маси». Якщо зважити гази, які, вступили в цю ядерну реакцію, і продукти реакції, то виявиться, що вага останніх на 0,7 % менша. За відомим співвідношенням Ейнштейна, цей дефект маси відповідає величезній енергії. Неважко підрахувати, що дефект маси в 1 г — лише в 1 г! — дасть 25 млн. кіловат-годин енергії. Підрахуйте, скільком Дніпрогесам відповідає ця кількість енергії! Між іншим, дефект маси під час вибуху атомної бомби над Хіросімою був саме такої величини.

Тепер можна собі уявити, скільки енергії виділиться при вибусі термоядерної бомби, якщо взяти 20–30 кг дейтериду літію. Найцікавіше те, що така реакція перетворення водню в гелій є джерелом енергії Сонця. Щосекунди на Сонці 570 млн. т водню перетворюється в 566 млн. т гелію. Отже, щосекунди Сонце зменшується в своїй масі на 4 млн. т. А коли врахувати, що маса нашого світила становить приблизно 2∙10²⁷ т, то стає очевидним, що сонячна «піч» працюватиме при нинішньому режимі ще багато мільярдів років.

Завдяки літію цю реакцію, яка по суті є джерелом життя на Землі, пощастило відтворити штучно. Неважко уявити собі значення цього відкриття.

Ми вже згадували, що літій має властивість сполучатися з азотом повітря, утворюючи сполуку нітрид літію:

6Li + N₂ = 2Li₃N.

Нітрид літію розкладається водою з виділенням аміаку: Li₃N + ЗН_аО = 3Li(OH) + NH₃.

Аміак є одним з найважливіших продуктів хімічної промисловості. Аміак — це дуже цінне добриво, сотні штучних матеріалів, сода, вибухові речовини, азотна кислота.

Проект синтезу аміаку з азоту повітря давно вже привертав увагу вчених. Це й зрозуміло, бо повітря на 80 % складається з азоту і тому є його невичерпним джерелом.

Перший здійснив цей синтез у промисловому масштабі німецький хімік Габер. Це відкриття дало можливість кайзерівській Німеччині відтягнути свою поразку в Першій світовій війні на кілька років. За це відкриті Габер був проголошений національним героєм, що, одінак, не завадило фашистам, які прийшли до влади, вислати його за межі Німеччини як неарійця.

Згодом з’явились нові проекти зв’язування атмосферного азоту, але всі вони потребують надто багато енергії. Розрахунки показали, що в енергетичному відношенні синтез аміаку з нітриду літію з використанням і наступною регенерацією цього металу вимагає значно меншої затрати енергії, ніж існуючі методи.

Слід також зазначити, що літій знаходить широке застосування в різноманітних сплавах. Додача лише 0,012 % літію до міді значно підвищує її електропровідність; незначна кількість цього металу в чавуні сильно підвищує його текучість у рідинному стані.

Інтерес до літію зростає з кожним днем і, безсумнівно, ще чимало доведеться зробити майбутньому хімікові.

Не можна обминути ще один чудовий елемент, про який до недавнього часу знали дуже небагато, про сусіда літія в періодичній системі елементів — берилій.

Мабуть, жодний інший метал періодичної системи елементів не має такого розриву між часом його відкриття і виділення в чистому вигляді і часом, коли він почав запроваджуватись у промисловість, як цей елемент з порядковим номером 4 — берилій.

…Важко сказати, що спонукало французького вченого Вокелена в бурхливі для Франції часи кінця XVIII ст. зайнятися хімічними дослідами. Є всі підстави гадати, що причиною були гроші. Він вирішив дослідити властивості і склад чудового каменю берилу, який, як відомо, лежить в основі ізумруду. Знаючи склад берилу, може, і пощастить добути його в лабораторії?

Вокелен почав досліди над потовченим у ступці ізумрудом. Скоро йому вдалося виділити речовину, яку він назвав за її солодкий смак «солодкою землею», або гліциною від грецького слова «глікос» — солодкий (землями в той час хіміки називали більшість окисів).

Гліцина була відкрита ним в 1798 році. Рівно через 20 років з гліцини був виділений сірий блискучий метал, який дістав назву гліциній. Згодом харківський професор Ф. І. Гізе запропонував назвати цей елемент берилієм. Назва прижилась. Та навіть через 40 років властивості берилію були вивчені так мало, що Д. І. Менделєєв довго вагався, в яку саме клітину помістити цей елемент. Якби не геніальна інтуїція Д. І. Менделєєва, хто знає, скільки б ще тинявся берилій по періодичній системі, поки не знайшов би своєї законної комірки № 4.

Повторюю, біографія берилію дуже оригінальна. Не менш незвична і його «анкета». Рік народження на ній зазначено — 1798. Рік вступу на «роботу» — 1932. Саме в цьому році вперше були застосовані в промисловості деякі сплави берилію. І, подібно до Іллі Муромця, який «тридцять три роки сидьма сидів» і тільки потім розвернувся «на всю свою молодецьку силу», берилій зразу ж після того, як «увійшов у життя», став показувати чудеса.

Найважливіша властивість, що забезпечує берилію велике майбутнє — це його мала питома вага. Хоч міцність берилію значно менша, ніж сталі, але різниця в їх питомих вагах така велика, що конструкція певної ваги з берилію в багато разів міцніша, ніж із сталі.

Відомо, що застосування алюмінію зробило переворот у літакобудуванні. Нескладні розрахунки показують, що дальність польоту літака, зробленого з берилію, була б на 40 % більша від дальності алюмінійового.

Значне застосування знаходить берилій у виготовленні рентгенівських трубок. Берилій на відміну від багатьох інших матеріалів дуже добре пропускає рентгенівські промені, тому в рентгенівських трубках, виготовлених із скла, «віконце» для променів роблять з берилію. Цей метал пропускає промені, але непроникний для повітря, а це дозволяє зберігати у трубці вакуум.

Особливий інтерес становлять сплави берилію. Лише 2 % домішок до міді — і сплав, або так звана берилійова бронза, після гартування стає вдвоє твердішою від нержавіючої сталі. А окремо і мідь, і берилій дуже м’які метали. Інструменти, зроблені з берилійової бронзи, не іскрять при ударі об камінь, тому цей сплав незамінний для роботи в шахтах, млинах, на порохових заводах і скрізь, де розжарена іскра становить небезпеку.

Все більше визнання завойовує обробка сталі, яка називається берилізацією. Цей процес полягає в тому, що стальну деталь, нагріту до 1000°, вміщують у порошок берилію, який у дуже незначній кількості проникає в поверхневий шар металу. Ця нескладна операція різко підвищує міцність стального виробу. Крім того, берилізована сталь дуже стійка до окислювачів. Навіть при нагріванні до 800° ця сталь не окислюється на повітрі.

Положення берилію в періодичній системі робить його незамінним і в виробництві атомної енергії. Легкі елементи періодичної системи добре затримують нейтрони. Для того щоб в урановому котлі здійснювалась ланцюгова реакція ділення ядер і утворення плутонію, необхідно, щоб швидкість нейтронів, які виділяються при спонтанному діленні урану, була значно знижена. Для цього в котел поміщають берилійові стержні або стержні із сплавів берилію. Це дозволяє регулювати швидкість ланцюгової реакції.

З кожним роком методи дослідження, зв’язані з впливом елементарних частинок на речовину, набувають все більшого значення. Якщо йдеться про елементарні частинки невеликої енергії, то такі дослідник легко може мати в своєму розпорядженні, користуючись яким-небудь природним або штучним радіоактивним елементом.

Однак радіоактивні елементи випускають тільки електрони або ядра атомів гелію, а при різноманітних експериментальних дослідженнях найважливіше буває вплинути на речовини нейтронами, бо вони, не маючи ніякого заряду, найглибше проникають в опромінювану речовину. Можливість зіткнення з ядром у нейтрона набагато більша, ніж у якоїсь зарядженої частинки.

Сплав берилію з радієм є прекрасним і порівняно сильним джерелом нейтронів. Найменшої кількості цього сплаву досить, щоб одержати в лабораторії (без будь-яких інших пристосувань) штучні радіоактивні ізотопи багатьох елементів. Нейтронні берилійові джерела зробили науці величезну послугу і довго ще сприятимуть застосуванню радіоактивних ізотопів для різноманітних досліджень.

Уран, лантоноїди, реній, титан, літій, берилій… Це все, що ми встигли тут коротко розглянути. Назви всіх елементів, про які ми вели мову на багатьох сторінках, вміщуються в одному рядку. І всі ці елементи навряд чи становлять більше ¹/₁₀ тих елементів, які об’єднуються під назвою «рідкісні».

З наведених прикладів читач бачить, що елементи не можна ділити на корисні і некорисні, на перспективні і безперспективні, застосовні і незастосовні. Всі без винятку елементи періодичної системи Д. І. Менделєєва можуть і повинні бути поставлені на службу людині. Від елементів, які вивчені менше від інших і добуваються в меншій кількості, слід чекати такого самого обширного застосування, як і від тих, що зараз вважаються основними. Все це — завдання хімії найближчого майбутнього, того майбутнього, коли багатотисячна армія хіміків нашої країни об’єднаними зусиллями поставить на службу комуністичному суспільству всі 102 та ще стільки, скільки їх буде відкрито, елементів періодичної системи, яка названа ім’ям великого вченого Д. І. Менделєєва.

Розвиток хімії став тепер заповітною справою радянського народу. Розвиток хімічної індустрії — одна з неодмінних умов побудови комуністичного суспільства в нашій країні, бо хімія — це наука достатку, наука прогресу.