Путешествие в Страну элементов

А если бы не было железа?

Тогда произошла бы катастрофа поистине космического масштаба. «…На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей… не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без живительного металла.

Разрушение ураганом прошло бы по всей земле, и гибель человечества сделалась бы неминуемой.

Впрочем — человек не дожил бы до этого момента, ибо, лишившись трех граммов железа в своем теле и в крови, он бы прекратил свое существование раньше, чем развернулись бы нарисованные события…» — так писал академик Ферсман.

Если верна гипотеза о существовании железного ядра Земли, то исчезновение железа означало бы гибель нашей планеты.

Понятно, что ничего подобного случиться не может, и вся эта картина нарисована А. Е. Ферсманом лишь для того, чтобы подчеркнуть великую роль железа в нашей жизни.

Но этот же вопрос мы можем поставить и на вполне реальную основу. По существу, сознательная деятельность человека ведет к тому, что сконцентрированное в рудных месторождениях и извлекаемое для нужд промышленности железо непрерывно рассеивается по лицу нашей планеты и безвозвратно теряется. Становится понятной тревога ученых о том, что будет, когда истощатся богатые месторождения железа. А их ведь не так уж много на нашей планете. Это обстоятельство и позволяет нам — на сей раз уже вполне серьезно — поставить вопрос, давший название нашей главе о металлах сегодняшнего и завтрашнего дня.

Но это еще не все. До сих пор речь шла о количестве железа. Однако нельзя забывать и о более важной, качественной стороне вопроса. Ведь когда мы говорили, например, о сплавах железа, мы то и дело подчеркивали: этот сплав — прочнее обычной углеродной стали, этот — более жаростойкий, а этот — легкий и не боится коррозии. Все это вместе означает, что по свойствам своим они лучше железа или обычной углеродистой стали.

Значит, поиски новых металлов, идущих на смену железу, связаны со все новыми и новыми требованиями, которые техника предъявляет к качеству используемых ею материалов. Требования эти становятся настолько жесткими, что легированные стали часто уже не могут их удовлетворить.

Для быстрорежущих станков нужны резцы более твердые и жаростойкие, чем лучшие сорта сталей. Для химической промышленности нужны материалы, лучше противостоящие химической коррозии, чем нержавеющие стали… Если мы вспомним, что нержавеющая сталь получалась при добавлении к железу легирующих металлов — таких, как хром и никель, а быстрорежущая — вольфрама, то естественно будет попробовать обратиться именно к этим металлам, чтобы получить материалы лучшие, чем сплавы на основе железа.

Элементы, окружающие железо в периодической системе: кобальт, никель, хром, молибден, вольфрам, ванадий, — вошли в промышленность в основном благодаря железу. Мы уже видели, насколько благотворно влияют даже небольшие добавки этих элементов на качество стали. Вот только один пример: еще в 1907 году получение жаростойкого сплава, содержащего, кроме железа, хром и молибден, позволило увеличить скорость резания металла с 5 до 40 метров в минуту. Скачок производительности в восемь раз не мог не дать «путевку в жизнь» легирующим элементам. Без ванадия не было бы автомобиля, без хрома — нержавеющих сталей. Но самостоятельную, независимую от железа «специальность» эти металлы получили позже.

В 1957 году были достигнуты скорости резания уже в 1500—2000 метров в минуту. Быстрорежущая сталь на основе железа не выдерживала таких скоростей: при работе резец нагревался, его прочность резко снижалась. Были найдены новые сплавы — теперь уже без железа. Таков победит, содержащий карбид вольфрама и кобальт. В наше время уже выплавляются стали, содержащие до 90 процентов молибдена или вольфрама, а сплав, состоящий из кобальта, никеля, хрома и молибдена, противостоит всем кислотам, кроме фтористоводородной.

Нельзя забывать, что каждый из легирующих элементов сам по себе более тугоплавок, чем железо, а у вольфрама нет равных среди металлов: поверхность Солнца имеет температуру всего вдвое большую, чем нужно для того, чтобы расплавить этот металл. Вольфрам прекрасно куется и вытягивается.

Понятно теперь, почему ему была открыта широкая дорога в те отрасли промышленности, где железо уже не смогло бы «работать», например, в электротехнику и радиотехнику.

Эти отрасли потребовали новых материалов. Тонкая вольфрамовая проволочка (0,01–0,5 миллиметра) сияет в миллиардах электрических лампочек, в кенотронах радиоаппаратуры также «работает» вольфрам, из этого металла сделаны контакты большого числа ответственных приборов…

В наше время все названные металлы стали обычными материалами техники. Однако самостоятельно они применяются несравненно меньше, чем в сплавах с железом. Почему же? Да потому, что руд их меньше, содержание металлов в них невысоко, обработка сложнее, чем для железа. Кроме того, чтобы в полной мере использовать полезные свойства каждого металла, нужна очень тщательная очистка их. Например, долгое время хром считали самым твердым, но хрупким металлом. Когда же удалось получить очень чистые образцы его, оказалось, что он достаточно пластичен и ковок. Но такая очистка непомерно удорожает металл. Бесспорно, что по многим своим качествам рассмотренные металлы явно превосходят железо. Однако ни один из них не может равняться с железом по количеству запасов его в природе. А есть ли у железа вообще достойные соперники в этом отношении?

Алюминий не напрасно называют «крылатым металлом», ведь до 80 процентов веса самолета составляют именно алюминий и его сплавы. Современная авиация — один из главных, хотя и далеко не единственный, потребитель алюминия.

Путь этого металла в просторы воздушного океана был нелегким. Сейчас, когда любая хозяйка ставит на огонь алюминиевую кастрюлю, трудно поверить, что всего лет 70 назад английские ученые в знак глубокого уважения к Д. И. Менделееву преподнесли ему драгоценную алюминиевую вазу, отделанную золотом. Кто бы мог в те времена подумать, что полет первых аэропланов, сделанных из фанеры и парусины, спустя два десятилетия вызовет к жизни целую отрасль современной промышленности, производящую алюминий и другие металлы и легкие сплавы. Многое тогда было трудно угадать… И все-таки наиболее дальновидные ученые, в том числе Менделеев, предсказывали алюминию великое будущее.

Вспомните героев народных сказок… Многие из них совершали сказочные подвиги, побеждали чудовищ, ходили «за тридевять земель, в тридесятое царство», чтобы в конце концов обрести каким-либо чудесным образом «злато-серебро да драгоценные каменья». Таковы мечты, порожденные тяжелой жизнью в вековой нищете и горе.

И совсем иные мечты возникали у тех, кто видел будущее счастье людей в революционном преобразовании их жизни. Вспомните Чернышевского… На Всемирной выставке 1855 года алюминий демонстрировался под названием «серебро из глины» в качестве материала ювелирных украшений, а спустя всего несколько лет русский революционер-демократ, заключенный в Петропавловскую крепость, писал о нем как о металле социализма: «Рано или поздно алюминий заменит собой дерево, а может быть, и камень… Везде алюминий и алюминий!» Нужно ли говорить, насколько прав оказался Чернышевский!

С глины начинается история алюминия в технике. Алюминий — составная часть около 250 различных минералов. Земная кора содержит огромные количества алюмосиликатов, однако из таких соединений извлечь алюминий чрезвычайно трудно. Природа сама «пошла навстречу» человеку: в результате выветривания алюмосиликаты разрушаются, давая залежи глин, содержащих 15–20 процентов алюминия и могущих быть сырьем для получения алюминия. Недаром имя, полученное нашим металлом при его «рождении», было «глиний», и лишь затем он получил свое общепринятое название (от латинского наименования квасцов — «alumen»).

Еще выше содержание алюминия в его главном промышленном минерале — боксите. Боксит представляет собой водную окись алюминия Al₂O₃·xH₂O, к которой примешаны окислы железа и кремнезем. Итак, алюминий в природе более распространен, чем железо. Почему же его использование в технике «опоздало» по сравнению с железом на целые тысячелетия? Все дело в трудности выделения алюминия из его руды.

Если помните, и многие руды железа представляют собой водную окись Fe₂O₃·xH₂O. Но железо довольно легко и в огромных количествах получается при восстановлении руды потому, что кислород в окислах железа удерживается сравнительно непрочно. Совсем иначе обстоит дело у алюминия: трудно найти другой элемент, который бы так же «цепко» удерживал кислород в своем окисле.

Принято считать — и это совершенно справедливо, — что щелочные металлы обладают самой большой активностью. Но даже они не в силах «отобрать» кислород у алюминия. Поэтому первый путь, который в 1827 году привел к получению металлического алюминия, был очень сложен: окись алюминия при нагревании с углем в струе хлора превращалась в летучий хлорид, который затем восстанавливался калием или натрием. Насколько такой путь сложнее, чем получение железа!

Впоследствии этот способ был несколько усовершенствован: стали подвергать электролизу комплексное соединение NaCl·AlCl₃. Выделяющийся при этом натрий сразу вытеснял алюминий из хлорида.

В то же время были сделаны первые попытки получить металл в электрических печах при высоких температурах. Окончательный толчок развитию этого метода был дан применением криолита Na₃AlF₆. Метод оказался удачным. Но… как бы хорош он ни был, он не мог применяться в широких масштабах: на выплавку тонны алюминия нужно около 20 тысяч киловатт-часов электроэнергии. Ясно, что веком алюминия мог стать лишь век дешевой электроэнергии.

Но дело не только в этом: техника еще не нуждалась в этом новом материале. Поэтому вначале, как только был получен сравнительно недорогой металл, он, по образному выражению А. Е. Ферсмана, начал с того, что… «завоевал кухню» — легкий, устойчивый и легко обрабатываемый металл стал материалом кухонной утвари.

Если же говорить всерьез, то первой предъявила требование на алюминий авиация. Затем он стал теснить медь в качестве материала для электрических проводов, пришел в автомобильную промышленность и машиностроение. Вот несколько цифр: через 50 лет после его «рождения», в 1885 году, в год выплавлялось 13 тонн алюминия. Еще через 50 лет, в 1935 году, его добыча выросла до 260 тысяч тонн в год. А в 1957 году было получено 3,5 миллиона тонн металла, прочно ставшего на второе место после железа.

Широко распространены сплавы алюминия, в которые входит другой легкий металл — магний. Удельный вес его — всего 1,74; поэтому применение магния должно еще в большей степени позволить выиграть «битву за килограммы».

К сожалению, магний сам по себе малоустойчив. Поэтому в отличие от алюминия чистый магний не годится для инженерного дела. А вот сплавы магния — прекрасный материал, потому что при весе на 30 процентов меньшем, чем у алюминия, они отличаются выдающимися качествами: они прочны, если в них присутствуют цинк и алюминий, устойчивы против коррозии, если в них добавлен литий или марганец. Сплавы на основе магния как раз и получили название электронов; конечно, они не имеют отношения к элементарной частице того же названия. Магниевые сплавы, как и алюминий, защищают себя броней окисла. Для работы при температурах в 300–350 градусов магний легируют торием или редкоземельными элементами. Такие сплавы используются в ракетостроении и скоростной авиации.

В природе есть большое количество месторождений минералов, содержащих магний. Это уже знакомые нам магнезит и доломит, обжигом которых получают окись магния. Ее можно восстановить углем или кремнием при высоких температурах в струе водорода. При этом выделяется порошок магния высокой чистоты. Но в нашей стране основная часть этого металла (как и алюминия) вырабатывается электролизом расплавленного хлорида магния, полученного при комплексной переработке карналлита KCl·MgCl₂·6H₂O, добываемого в больших количествах в Соликамске.

Совершенно неисчерпаемым источником магния, который природа непрерывно пополняет, служит вода океанов, содержащая, как подсчитано, 10¹⁶ тонн этого металла. Каждый кубический метр морской воды в виде солей содержат 3,5 килограмма магния. Если добавить к морской воде Ca(ОН)₂, образуется осадок малорастворимых основных хлоридов магния. Из этого осадка действием соляной кислоты извлекают MgCl₂, который после высушивания поступает на электролиз. Чтобы расплавленный металл не окислялся, над его поверхностью пропускают водород. Одновременно образуется другой ценный химический продукт — хлор.

Давно прошли времена, когда магний имел очень ограниченное применение (например, в качестве «вспышки» в фотографии). В наше время магний широко используется не только в виде сплавов, но и помогает металлургам получать многие ценные металлы. И если в 1938 году мировое производство магния составляло лишь 22 тысячи тонн (без СССР), то в 1956 году оно выросло до 75 тысяч тонн и продолжает увеличиваться.

В нашей стране за семилетие втрое возрастет производство алюминия. А впереди новые и новые горизонты. На очереди стоит задача найти методы термического получения алюминия прямо из алюмосиликатов. Особенно выгоден этот процесс для приготовления сплавов силуминов (ведь сырье как раз и содержит вместе кремний и алюминий). Трудно называть точные сроки, но рано или поздно человек овладеет методом, который позволит, образно говоря, переплавлять горы в алюминий…

Свойства этого металла не могут не привлечь внимания: он так же легок, как магний, но вдвое более тугоплавок, не корродирует до температуры в 400 градусов, более упруг, чем сталь. Этот металл — бериллий.

Есть у бериллия и качества, по которым у него нет соперников. Прежде всего способность очень хорошо замедлять быстрые нейтроны. Это делает его важным материалом в конструкциях атомных реакторов.

Любопытно и другое свойство бериллия. Звук пробегает в воздухе 330 метров в секунду, в воде — 145 метров в секунду. В бериллии звук побивает все рекорды, пробегая в секунду 12 500 метров. Предметы, изготовленные из бериллия, прекрасно звучат. Интересно, что это свойство приобретают и сплавы меди, содержащие 0,5–1,3 процента бериллия.

Но, разумеется, не звонкость этих сплавов привлекает технику. Гораздо важнее, что добавка 3–4 процентов бериллия к меди делает сплав твердым, упругим, а главное — не знающим усталости, выдерживающим многократные переменные нагрузки. Такие сплавы — бериллиевые бронзы — способны закаливаться и не корродируют.

И еще одна замечательная способность: такие сплавы не искрят. Кому приходилось наблюдать работу точильного камня, тот помнит, какой веер искр разбрасывают стальные предметы при трении о точило. При работе стальные инструменты, ударяясь друг о друга и о камни, тоже дают искры. Обычно на них не обращают внимания. Но есть производства, где искра может вызвать взрыв, и ошибаются те, кто думает, что она опасна лишь на пороховых складах… В шахте, на нефтебазе и даже на мельнице или сахарном заводе — если воздух содержит мелкую пыль, например муки, — существует опасность взрыва. Там инструменты из бериллиевых неискрящих сплавов незаменимы.

А какие перспективы вызывает возможность получения сплавов лития и бериллия! Союз двух легчайших металлов, может быть, приведет к рождению сплавов, не тонущих в воде…

Бывает так: назовут иные родители своего сына Гением, а дочь Идеей, а вырастают из них самые что ни на есть обыкновенные люди, быть может, даже не слишком умные и без особых идей.

Нехорошо? Конечно.

Металл, о котором сейчас пойдет речь, был впервые выделен Берцелиусом в 1824 году и получил ко многому обязывающее имя «Титан».

Мифологические титаны спорили с богами, а один из них, Прометей, как рассказывает мифология, принес людям огонь… Но что дает людям металл титан, достоин ли он своего громкого имени? Если бы об этом зашла речь лет 20 назад, то такой вопрос вызвал бы только улыбку: применялись тогда лишь некоторые соединения титана, да и то далеко не на магистральных направлениях науки и техники. В небольших масштабах использовался титан в качестве легирующего элемента.

Причина такого невнимания достаточно ясна: без этого металла можно было обходиться. В химической промышленности работали нержавеющие стали, свинец и другие «обычные» и давно известные элементы. «Летал» тогда алюминий, алюминиевые и магниевые сплавы.

Но скорость самолета неуклонно росла, а когда она приблизилась к скорости звука, возникли трудности. Чтобы перейти этот «звуковой барьер», нужны были новые материалы — легкие, как алюминий, но гораздо более прочные. Реактивная авиация потребовала металлы, сочетающие легкость с жаростойкостью, нужные для изготовления реактивных двигателей. Жаропрочные материалы техника имела: вольфрамовые, молибденовые, хромовые стали были в достаточном количестве. Но вот легкие…

Тут-то и пришел час титана. Ведь он как раз сочетает высокую точку плавления (1725 градусов) с низким удельным весом (около 4,5). Всего в полтора раза тяжелее алюминия, он прочнее его в шесть раз. Чтобы сравнить прочность титана с прочностью железа и алюминия, скажем, что если для удержания некоторого груза достаточно титановой проволоки сечением в 1 миллиметр, то стальная должна быть в полтора, а алюминиевая — в 2,6 раза толще.

Титан хорошо куется и поддается другим видам обработки. Он обладает замечательной устойчивостью против коррозии. Прежде чем использовать какой-нибудь металл в технике, его буквально «истязают», подвергают жесточайшим испытаниям: разрывают на части, дробят, «варят» в кислотах и щелочах, подвергают чудовищным нагрузкам… Титан успешно прошел «огонь и воду». Пластинка из титана, помещенная в морскую воду, за 10 лет (срок, за который от такой же железной пластинки осталось бы одно воспоминание) совершенно не изменилась. В обычной воде титан корродирует лишь при температурах около 800 градусов. На воздухе титан устойчив до 600 градусов. При дальнейшем нагревании он защищается, образуя пленку окисла. Но при очень высокой температуре металл начинает поглощать газы — кислород, азот — и соединяться с серой и углеродом.

Эта особенность титана является, вообще говоря, его недостатком. Но именно она положила начало использованию титана в металлургии: добавляя титан в сталь, заставили его связывать растворенные в ней газы и тем улучшать ее структуру. Между прочим, мы теперь видим, что почти все новые металлы начинали свою «работу» в технике в союзе с железом и лишь потом выходили на самостоятельный путь…

Итак, при высоких температурах титан поглощает газы. Одновременно он становится тверже, но уменьшается его пластичность.

Великолепны свойства сплавов титана с нашими старыми знакомыми — молибденом, хромом, вольфрамом, ванадием — и с новыми металлами — цирконием, ниобием, танталом. Сплав титана, содержащий 5 процентов хрома и 3 процента алюминия, вдвое прочнее и в полтора раза легче нержавеющей стали. При 500 градусах прочность его выше, чем у нержавеющей стали при комнатной температуре. Соединяясь с углеродом, титан образует очень твердый карбид, использование которого в резцах позволяет в десятки раз увеличить скорость резания.

Широкое применение имеют и другие соединения титана. Вот одно из них — окисел TiO₂. Это белая краска и материал для керамической промышленности. Это соединение — компонент тугоплавких стекол и катализатор некоторых реакций. Только в качестве белил ежегодно используют до 200 тысяч тонн этого вещества.

Запасы титановых руд в природе велики. Это титаномагнетиты, содержащие вместе железо, титан и ванадий, минерала ильменит (железная соль титановой кислоты FeTiO₃) и рутил TiO₂.

Подготовка исходного сырья для производства титана сводится к получению его двуокиси. Дальше TiO₂ восстанавливают углеродом в струе хлора, получая четыреххлористый титан:

Чтобы из этого соединения выделить сам металл, действуют на него металлическим магнием, который и «забирает» хлор, давая титан в виде губчатой массы:

Чтобы получить компактный металл, эту массу нужно переплавить. Процесс ведут или в вакууме, или в атмосфере инертного газа — аргона, чтобы не ухудшать свойств металла из-за поглощения им азота и кислорода из воздуха. И все-таки полученный таким образом металл не раскрывает всех своих способностей из-за недостаточной чистоты. Поэтому приходится дополнительно очищать его. Особенно чистый металл получают йодидным методом, имеющим большое значение в производстве не только титана, но и циркония и других новых металлов.

Выделенный из хлорида металл… превращают в йодид. Какой в этом смысл? А вот какой. Образовавшийся при 300 градусах TiJ₄ легколетуч, поэтому он возгоняется в вакууме. На своем пути пары TiJ₄ встречают раскаленную (1400 градусов) проволочку из титана. При такой температуре йодид разлагается, давая титан и йод. Чистый титан оседает на проволочке, а йод снова возвращают в процесс, и он переносит «на своих плечах» следующую порцию металла. Температуру возгонки регулируют, чтобы испарялся только йодид титана, а другие йодиды оставались на дне аппарата. Как видите, процессы сложные, требующие — в промышленных масштабах! — применения вакуума, инертного газа, объемистой аппаратуры, способной противостоять такому агрессору, как хлор… Не удивительно, что если стоимость руды принять за единицу, то стоимость готового чистого металла чуть ли не в 500 раз выше. Дорого? Да. Однако уже сегодня к титану не применима известная пословица: «Мал золотник, да дорог». Дорог пока — это верно. Но не мал. Помните, каким бурным был рост производства алюминия? Так вот, производство титана растет втрое быстрее.

Титан прочно «стал на ноги» в современной технике. Но жизнь не стоит на месте. На дорогу, ведущую из области редких элементов в область обычных материалов техники, становятся новые замечательные материалы.

В семействе тугоплавких металлов не последнее место занимают элементы-близнецы цирконий и гафний. Оба они — аналоги титана, поэтому любой из вас, даже не знакомый до сих пор с этими металлами, легко поверит, что они должны обладать не менее замечательными свойствами, чем титан.

Интересна история этих элементов. Цирконий был открыт очень давно — в 1789 году, гафний же, всегда «сопровождавший» его и в природе и в лабораторных препаратах, оставался незамеченным в течение более 130 лет благодаря чрезвычайной схожести с цирконием. О причине этой схожести — так называемом «лантаноидном сжатии» — будет сказано ниже.

Еще лет 20 назад цирконий использовали в очень небольших количествах, да и то в виде двуокиси ZrO₂, служившей хорошим огнеупорным материалом. Металлический цирконий использовался мало (в качестве ценного, но слишком дорогого легирующего элемента). К жизни этот металл был вызван развитием ракетостроения и атомной техники.

Минералами циркония являются циркон ZrSiO₄ и баддалеит ZrO₂. Встречаются они в значительных количествах, причем в месторождениях, кроме циркона и баддалеита, часто содержатся также рутил, ильменит, редкоземельные элементы и торий в виде окислов.

Задача разделения их — нелегка. Многие минералы, как известно, можно разделить по удельному весу, подбирая такие растворители, в которых одни всплывают, другие остаются на дне. Здесь этот метод не годился: удельные веса компонентов слишком близки. Изучение свойств составных частей сложной смеси минералов, содержащих цирконий, дало решение проблемы: все они обладают разными магнитными свойствами. Это позволило применить магнитную сепарацию.

Концентрат циркона, содержащий лишь небольшие количества примесей, частично используется в керамической промышленности, частично в качестве огнеупоров. Из него же выплавляют и металлический цирконий. Темпы роста производства циркониевых концентратов очень велики — от 4500 тонн в 1940 году до 90 000 тонн в 1955 году и 143 тысяч тонн в 1959 году (без СССР). Выплавка металла, составляющая в 1955 году около 1000 тонн, к 1959 году выросла втрое.

Металлический цирконий получают так: смесь циркона спекают при 650–670 градусах с кремнефтористым калием. При этом выделяется SiO₂, a Zr занимает место кремния: ZrSiO₄ + K₂SiF₆ = 2SiO₂ + K₂ZrF₆. Полученную соль растворяют в воде, а затем кристаллизуют. Эту соль можно восстановить металлическим натрием или, превратив в ZrCl₄, выделить металлический цирконий действием магния.

Очищают цирконий, как и титан, йодидным методом. Впрочем, оговоримся сразу: таким методом цирконий нельзя очистить от его «тени» — гафния, который на протяжении всего описанного процесса следует за ним.

Примесь гафния — от 1 до 3 процентов — иногда не мешает использованию циркония. Ведь если говорить об устойчивости против коррозии, то она велика у обоих «близнецов». Механические свойства также примерно одинаково хороши. Однако в атомной промышленности, которая как раз предъявляет заявку на цирконий и его сплавы, примесь гафния сводит на нет все замечательные качества циркония: если последний практически «прозрачен» для инициаторов ядерной реакции — нейтронов, то гафний жадно поглощает их, и атомная промышленность требует тщательного отделения гафния.

В настоящее время эта сложнейшая задача успешно решена наукой и техникой.

Гафний наряду с цирконием используется в радио- и рентгенотехнике и атомной промышленности, однако неизмеримо меньше. Мировое производство гафния в 1959 году составляло лишь 30 тонн.

Теперь нам предстоит познакомиться еще с одной парой «близнецов» — с ниобием и танталом.

История открытия ниобия очень интересна. Настоящие ученые всегда немного поэты. Правда, в строгих рамках научных статей это увидеть трудно. Но вот перед нами письмо, написанное одним знаменитым химиком другому по поводу открытия нового элемента, который мы теперь называем ниобием.

Берцелиус — Вёлеру:

«Посылаю тебе обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. „Ты титан?“ — спрашивал я. Он отвечал: „Вёлер же тебе сказал, что я не титан“. Я также установил это. „Ты цирконий?“ — „Нет, — отвечал он. — Я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля“. — „Ты олово?“ — „Я содержу олово, но очень мало“. — „Ты тантал?“ — „Я с ним родствен, — отвечал он. — Но я постепенно растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым“. — „Ну что же ты тогда за дьявольская вещь?“ — спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: „Мне не дали имени“. Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос…»

Если тантал начал входить в технику довольно давно (именно из тантала делали спирали электролампочек, пока его не вытеснил более дешевый вольфрам), то ниобий долгое время считали лишь вредной примесью к танталу. Получался парадокс, один из тех, которыми так богата история техники: ниобий более распространен, чем тантал, а добывали его намного меньше. Большие количества ниобия выбрасывали в отвал при добыче не только тантала, но и олова. Так были созданы руками людей настоящие залежи ниобиевых руд, которые впоследствии стали перерабатывать.

Ниобий привлек внимание лишь лет 20 назад, когда выяснилось облагораживающее влияние небольших добавок его на стали. И если в 1936 году во всем мире было всего 30 килограммов металла, то производство 1943 года достигло 1100 тонн и неуклонно растет. Подобно цирконию, для получения ниобия и тантала можно восстанавливать натрием их комплексные соли.

Можно идти и по пути, проложенному алюминием: подвергать электролизу смесь K₂TaF₇ и Та₂O₅.

Нужно сказать, что, подобно титану и цирконию, ниобий и тантал сильно поглощают газы при нагревании. Все эти элементы используют в качестве геттеров, нанося их на детали радиоламп. При откачивании таких ламп вакуум-насосами в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Геттеры, поглощая эти газы, обеспечивают в лампах очень высокий вакуум. Так, тантал при 800 градусах способен поглотить 740 объемов газов!

Из-за этого свойства и из-за большой тугоплавкости обработку этих металлов ведут методами порошковой металлургии: порошок их прессуют и спекают в вакууме ниже температуры плавления, проковывают, затем снова спекают и подвергают холодной обработке.

Что же определяет ценность наших металлов в технике? Если сказать коротко — уникальность свойств ниобия и тантала, особенно последнего.

Мы не имеем возможности даже коротко рассказать обо всех многообразных применениях ниобия и тантала и их соединений (это касается, конечно, и других металлов, о которых шла речь). Поэтому отметим свойства, по которым наши металлы не имеют себе равных.

Наверно, вам уже прожужжало все уши слово «коррозия». Но не случайно мы упоминали о ней, говоря почти о каждом металле, потому что борьба с коррозией — одна из важнейших проблем техники.

Металлы по их стойкости к коррозии приблизительно располагаются так:

Подъем на каждую следующую ступеньку означает огромную победу техники. И на вершине этой лесенки по праву стоит тантал. Судите сами: он не боится хлора, не растворяется в кислотах, включая «царскую водку», как известно, потому и названную так, что против нее не может устоять даже «царь металлов» — золото.

Тантал выдерживает чудовищные испытания: при 200 градусах в 70-процентной азотной кислоте он не корродирует вовсе, а в серной кислоте — только на 0,4 миллиметра в год. Совсем не действуют на него соляная и фосфорная кислоты и другие агрессивные вещества.

Не удивительно, что за последние 20 лет использование тантала в химическом машиностроении выросло в 13 раз. На заводах по производству соляной кислоты аппаратура из тантала работает без ремонта больше 20 лет.

Ниобий менее устойчив, однако для некоторых целей он даже более пригоден, чем тантал. Очень интересно, что при использовании ниобия для изготовления аппаратуры и трубопроводов в производстве соляной кислоты он не просто устойчив и потому хорош: он катализирует реакцию, так что выход соляной кислоты при прохождении через систему увеличивается.

У тантала есть еще одна уникальная специальность — медицинская. Он прекрасно «уживается» с живыми тканями, поэтому пластинки из тантала применяются взамен поврежденных костей черепа, для скрепления костей при переломах. В нашей стране созданы приборы для автоматического сшивания кровеносных сосудов. Они могут работать лишь благодаря использованию танталовых скрепок. Тонкими танталовыми нитями можно сшивать даже сухожилия и нервы…

Конечно, все новые металлы пока еще очень дорогие. Поэтому их приходится «разбавлять» обычными, более дешевыми.

Вместе с никелем, кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, бором, алюминием новые металлы дают прекрасные сплавы с широким выбором свойств.

Мы начали свой разговор с того, что стали искать замену железу. Нужна ли такая замена? Теперь мы можем ответить на этот вопрос. Да, иногда такая замена не только необходима, но и возможна. И каждый металл, каждый сплав, каждый новый материал может и должен найти себе применение. Будущее принадлежит разумному сочетанию всех материалов.