Рассказы о металлах

Легчайший из легких

В расцвете сил. — Экскурс в прошлое столетие. — Целебные воды Карлсбада. — Что легче? — Вазелиновые ванны. — Летчики надевают жилеты. — Средство против подагры. — Нужда заставила. — Вводе не тонет. — Ни мороз не страшен, ни жара. — Вглубь Антарктиды. — Вечная смазка. — Вкусны ли стекла? — Голубое пламя. — Первая скрипка. — Результаты бомбардировки. — Литий "глотает" нейтроны. — Двадцать Днепрогэсов. — Добрый старый керосин. — Литий против… лития. — Ядерный "клей". — Кристалл из Южной Дакоты. — "Сезам! Отворись!". — Подозрительное жаркое.

В 1967 году литий, стоящий в Периодической системе Д.И. Менделеева первым среди металлов, отмечал 150-летие со дня открытия. Свой юбилей элемент встретил в расцвете сил: деятельность его в современной технике интересна и многогранна. Тем не менее специалисты считают, что литий отнюдь не раскрыл еще полностью свои возможности, и предсказывают ему большое будущее— Но давайте совершим экскурс в прошлое столетие — заглянем в тихую лабораторию шведского химика Иоганна Августа Арфведсона. Итак: Швеция, 1817 год.

…Вот уже который день ученый анализирует минерал петалит, найденный на руднике Уто близ Стокгольма. Снова и снова проверяет он результаты анализа, но каждый раз сумма всех компонентов оказывается равной 96 %. Где же теряются 4 %? А что, если…? Да, сомнений нет: в минерале содержится какой-то неизвестный доселе элемент. Арфведсон проводит опыт за опытом, и вот, наконец, цель достигнута: открыт новый щелочной металл. А поскольку, в отличие от своих близких "родственников" — калия и натрия, впервые обнаруженных в органических продуктах, новичок был найден в минерале, ученый решает назвать его литием ("литеос" по-гречески — камень).

Вскоре Арфведсон находит элемент и в других минералах, а известный шведский химик Берцелиус обнаруживает его в минеральных водах Карлсбада и Мариенбада. Кстати, и в наши дни широкой известностью пользуются источники курорта Виши во Франции, которые благодаря присутствию солей лития обладают высокими бальнеологическими свойствами.

В 1818 году англичанин Дэви сумел впервые выделить крупицы чистого лития электролизом его гидроксида, а в 1855 году немецкому химику Бунзену и независимо от него английскому физику Матиссену электролизом расплавленного хлорида удалось получить чистый литий. Он оказался мягким серебристо-белым металлом, почти вдвое легче воды. В этом отношении литий не знает конкурентов среди металлов: алюминий тяжелее его в 5 раз, железо — в 15, свинец — в 20, а осмий — в 40 раз!

Даже при комнатной температуре литий энергично реагирует с азотом и кислородом воздуха. Попробуйте оставить кусочек лития в стеклянном сосуде с притертой пробкой. Металл поглотит весь имеющийся там воздух, в сосуде возникнет вакуум, и атмосферное давление так крепко "припечатает" пробку, что вам вряд ли удастся ее вытащить. Поэтому хранить литий очень непросто. Если натрий, например, можно легко упрятать в керосин или бензин, то для лития такой способ неприемлем — он тут же всплывает и загорается. Чтобы сохранить литиевые прутки, их обычно вдавливают в ванну с вазелином или парафином, которые обволакивают металл и не позволяют ему проявлять свои реакционные наклонности.

Еще более активно литий соединяется с водородом. Небольшое количество металла может связать колоссальные объемы этого газа: в 1 килограмме гидрида лития содержится 2800 литров водорода! В годы второй мировой войны таблетки гидрида лития служили американским летчикам портативными источниками водорода, которыми они пользовались при авариях над морем: под действием воды таблетки моментально разлагались, наполняя водородом спасательные средства — надувные лодки, жилеты, сигнальные шары-антенны.

Чрезвычайно высокая способность соединений лития поглощать влагу обусловила их широкое применение для очистки воздуха на подводных лодках, в авиационных респираторах, в системах кондиционирования воздуха.

Первые попытки промышленного использования лития относятся к началу нашего века. До этого в течение почти ста лет его применяли главным образом в медицине как средство против подагры.

Во время первой мировой войны Германия испытывала крайнюю нужду в олове, весьма необходимом промышленности. Поскольку своим оловянным сырьем страна не располагала, ученым пришлось срочно искать замену этому металлу. С помощью лития проблему удалось успешно решить: сплав свинца с литием ("бан-металл") оказался отличным антифрикционным материалом. С этого момента техника не расстается с литиевыми сплавами. Известны сплавы лития с алюминием, бериллием, медью, цинком, серебром и другими элементами. Особенно широкие перспективы открываются перед сплавами лития с другим металлом-легковесом — магнием, обладающим к тому же хорошими конструкционными свойствами: ведь такой сплав, если в нем преобладает литий, легче воды. Но беда в том, что сплавы подобного состава неустойчивы — легко окисляются на воздухе. Металлурги давно стремились создать композицию и технологию, которые обеспечили бы литиймагниевым сплавам долговечность. Эту задачу смогли решить ученые Института металлургии имени А.А. Байкова Академии наук СССР: в вакуумной тигельной электропечи в атмосфере инертного газа аргона был получен сплав лития с магнием, не тускнеющий на воздухе и не тонущий в воде.

Многие ценные свойства лития — высокая реакционная способность, низкая температура плавления (всего 180,5 °C), малая плотность его химических соединений — делают этот элемент желанным участником технологических процессов в черной и цветной металлургии. Он отлично справляется, например, с ролью дегазатора и раскислителя — удаляет из расплавленных металлов растворенные в них газы, такие, как азот, кислород. Благодаря литию структура некоторых сплавов становится мелкозернистой и тем самым улучшаются их механические свойства. В производстве алюминия он успешно выступает в роли ускорителя процесса. Добавка его соединений в электролит увеличивает производительность алюминиевого электролизера; при этом снижается необходимая температура ванны, заметно сокращается расход электроэнергии.

Прежде электролит щелочных аккумуляторов состоял только из растворов едкого натра. При введении в него нескольких граммов гидроксида лития срок службы аккумулятора возрастает втрое. Кроме того, значительно расширяется температурный диапазон его действия: он не разряжается даже при повышении температуры до 40 °C и не замерзает при двадцатиградусных морозах. Безлитиевому электролиту эти испытания не под силу. Уникальный миниатюрный аккумулятор для электронных наручных часов создан в Японии: толщина этого аккумулятора, в котором анодом служит тончайшая пленка лития (катод выполнен из дисульфида титана) всего 34 микрона, т. е. он тоньше человеческого волоса. Крошечное электрическое устройство выдерживает 2000 зарядных циклов, а каждый заряд позволяет часам работать 200–300 часов. Немалые надежды возлагают на литий и конструкторы автомобильных фирм: в США, например, создана литиевая электрическая батарея, предназначенная для электромобиля, который сможет развивать скорость до 100 километров в час и проходить без подзарядки не одну сотню километров.

Некоторые органические соединения лития (стеарат, пальмиат и др.) сохраняют свои физические свойства в широком интервале температур. Это позволяет использовать их как основу для смазочных материалов, применяемых в военной технике. Смазка, в состав которой входит литий, помогает вездеходам, работающим в Антарктиде, совершать рейды в глубь континента, где морозы порой достигают —80 °C. Литиевая смазка — надежный помощник автомобилистов. В этом уже убедились владельцы "Жигулей", не случайно называющие ее "вечной": достаточно один раз в начале эксплуатации смазать ею некоторые трущиеся детали машины, и долгие годы они не будут нуждаться в этой операции.

Кто из нас не слышал о чудесах, творимых индийскими йогами. На глазах изумленной публики они разгрызают стеклянный стакан на мелкие кусочки, как обыкновенный сухарь, и проглатывают с выражением такого удовольствия, будто в жизни не пробовали ничего вкусней. А вам не приходилось употреблять стекло в пищу? "Что за нелепый вопрос? Разумеется, нет!" — так, вероятно, подумает каждый, кому доведется читать эти строки, — и ошибется. Оказывается, обычное стекло растворяется в воде. Конечно, не в такой степени, как, допустим, сахар, но все же растворяется. Точнейшие аналитические весы показывают, что вместе со стаканом горячего чая мы выпиваем около одной десятитысячной грамма стекла. Но если при варке стекла к нему добавить щепотку солей лантана, циркония и лития, его растворимость в воде уменьшается в сотни раз. Оно обретает устойчивость даже по отношению к серной кислоте.

Деятельность лития в стекольном производстве не исчерпывается снижением растворимости стекла. Литиевые стекла характеризуются ценными оптическими свойствами, хорошей термостойкостью, высоким удельным сопротивлением, малыми диэлектрическими потерями. Литий, в частности, входит в состав стекол, из которых изготовляют телевизионные кинескопы. Если обычное оконное стекло обработать в расплаве солей лития, на нем образуется плотный защитный слой: стекло становится вдвое прочнее и устойчивее к повышенным температурам. Небольшие добавки этого элемента значительно снижают температуру варки стекла.

Издавна символом прозрачности служила капля росы. Но даже прозрачные, как роса, стекла уже не удовлетворяют современную технику: ей нужны оптические материалы, которые пропускали бы не только видимые глазом лучи света, но и невидимые, например ультрафиолетовые. При помощи обычных телескопов астрофизики не могут уловить излучения очень далеких галактик. Из всех известных в оптике материалов самой высокой прозрачностью для ультрафиолетовых лучей обладает фторид лития. Линзы из монокристаллов этого вещества позволяют исследователям значительно глубже проникать в тайны Вселенной.

Немаловажную роль играет литий в производстве специальных глазурей, эмалей, красок, высококачественного фарфора и фаянса. В текстильной промышленности одни соединения этого элемента служат для отбеливания и протравливания тканей, другие — для их окраски.

Пиротехникам хорошо знакомы соли лития: они окрашивают в яркий сине-зеленый цвет след трассирующих пуль и снарядов.

На пиротехнических способностях лития основан следующий фокус. Попытайтесь поджечь кусочек сахара спичкой — у вас ничего не выйдет: сахар начнет плавиться, но не загорится. Если же перед этим сахар натереть табачным пеплом, то он легко вспыхнет красивым голубым пламенем. Объясняется это тем, что в табаке, как и во многих других растениях, в относительно больших количествах содержится литий. При сгорании табачных листьев часть его соединений остается в пепле. Они-то и позволяют провести этот несложный химический фокус.

Но все, о чем мы пока рассказали, — это лишь второстепенные, побочные занятия лития. Есть у него дела и посерьезней. Речь идет о ядерной энергетике, где литий, возможно, начнет вскоре играть роль одной из первых скрипок. Ученые установили, что ядра изотопа лития-6 могут быть легко разрушены нейтронами. Поглощая нейтрон, ядро лития становится неустойчивым и распадается, в результате чего образуются два новых атома: легкого инертного газа гелия и редчайшего сверхтяжелого водорода — трития. При очень высоких температурах атомы трития и другого изотопа водорода — дейтерия объединяются. Этот процесс сопровождается выделением колоссального количества энергии, называемой обычно термоядерной.

Особенно энергично термоядерные реакции протекают при бомбардировке нейтронами соединения изотопа лития-6 с дейтерием — дейтерида лития. Это вещество служит ядерным горючим в литиевых реакторах, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с урановыми: литий значительно доступней и дешевле урана, при реакции не образуется радиоактивных продуктов деления, процесс легче регулируется.

Относительно высокая способность лития-6 захватывать медленные нейтроны легла в основу использования его в качестве регулятора интенсивности реакций, протекающих и в урановых реакторах. Благодаря этому свойству изотоп нашел применение также в защитных экранах против радиации, в атомных батареях с большим сроком службы. Не исключено, что в скором времени литий-6 станет работать поглотителем медленных нейтронов на атомных летательных аппаратах.

Подобно некоторым другим щелочным металлам, литий применяют как теплоноситель в ядерных установках. Здесь можно использовать его менее дефицитный изотоп — литий-7 (в природном литии на его долю приходится около 93 %). Этот изотоп, в отличие от своего более легкого "брата", не может служить сырьем для производства трития и поэтому не представляет интереса для термоядерной техники. Но с ролью теплоносителя он справляется вполне успешно. В этом ему помогают высокая теплоемкость и теплопроводность, большой температурный интервал жидкого состояния, незначительная вязкость, малая плотность.

В последнее время серьезные права на литий начинает предъявлять ракетная техника. Много энергии необходимо затратить, чтобы преодолеть силы земного тяготения и вырваться в космические просторы. Ракета, которая вывела на орбиту корабль-спутник с первым в мире космонавтом Юрием Гагариным, имела шесть двигателей общей мощностью 20 миллионов лошадиных сил! Это мощность двадцати таких гидроэлектростанций, как Днепрогэс.

Естественно, что выбор ракетного топлива представляет собой проблему исключительной важности. Пока наиболее эффективным горючим считается керосин (да-да, добрый старый керосин!), окисляемый жидким кислородом. При сгорании этого топлива выделяется в полтора с лишним раза больше энергии, чем при взрыве такого же количества нитроглицерина — сильнейшего взрывчатого вещества.

Отличные перспективы может иметь применение металлического горючего. Теорию и методику использования металлов в качестве топлива для ракетных двигателей впервые разработали более полувека назад замечательные советские ученые Ф.А. Цандер и Ю.В. Кондратюк. Одним из наиболее подходящих для этой цели металлов является литий (большей теплотворностью может похвастать лишь бериллий). В США опубликованы патенты на твердое ракетное топливо, содержащее 51–68 % металлического лития.

Любопытно, что в процессе работы ракетных двигателей литий выступает против… лития. Являясь компонентом горючего, он позволяет развивать колоссальные температуры, а обладающие высокой термостойкостью и жароупорностью литиевые керамические материалы (например, ступалит), используемые как покрытия сопел и камер сгорания, предохраняют их от разрушительного действия лития-горючего

В наши дни техника располагает большим количеством разнообразных синтетических материалов — полимеров, с успехом заменяющих сталь, латунь, стекло. Но у технологов подчас возникают большие трудности, когда при изготовлении некоторых изделий им необходимо соединить полимеры между собой или с другими материалами. Так, фторсодержащий полимер тефлон — идеальное антикоррозийное покрытие — долгое время не находил практического применения из-за того, что плохо склеивался с металлом. Советскими учеными разработана оригинальная технология ядерной сварки полимеров с различными материалами. На свариваемые поверхности наносят небольшие количества соединений лития или бора, которые и служат своеобразным "ядерным клеем". При облучении этих слоев нейтронами возникают ядерные реакции, сопровождающиеся значительным выделением энергии, благодаря чему на очень короткое время (менее десятимиллиардной доли секунды) в материалах появляются микроучастки с температурой в сотни и даже тысячи градусов. Но и за эти мгновения молекулы пограничных слоев успевают перемешаться, а иногда и образовать между собой новые химические связи — происходит ядерная сварка.

Как правило, элементы, располагающиеся в левом верхнем углу таблицы Д.И. Менделеева, широко распространены в природе. Но, в отличие от большинства своих соседей — натрия, калия, магния, кальция, алюминия, которыми богата наша планета, литий — сравнительно редок. В природе встречается около тридцати минералов, содержащих этот ценный элемент. Основное природное соединение лития — сподумен. Кристаллы этого минерала, по форме напоминающие железнодорожные шпалы или стволы деревьев, порой достигают гигантских размеров: в Южной Дакоте (США) найден кристалл длиной более 15 метров; масса его измерялась десятками тонн. В американских месторождениях обнаружены очень красивые изумрудно-зеленые и розово-фиолетовые разновидности сподумена — полудрагоценные минералы гидденит и кунцит.

Большое значение как сырье для производства лития могут иметь гранитные пегматиты. Подсчитано, что в одном кубическом километре гранита заключено более ста тысяч тонн лития — это во много раз больше, чем добывается ежегодно во всех странах мира. Бок о бок с литием в гранитных кладовых хранятся ниобий, тантал, цирконий, торий, уран, неодим, цезий, церий, празеодим и многие другие редкие элементы. Но как заставить гранит поделиться с человеком своими богатствами? Ученые заняты поисками, и безусловно им удастся создать такие методы, которые, подобно сказочным словам "Сезам! Отворись!", позволят людям раскрыть гранитные кладовые.

Заканчивая рассказ о литии, поведаем об одной забавной истории, в которой этот элемент сыграл весьма важную роль. В 1891 году выпускник Гарвардского университета Роберт Вуд (впоследствии знаменитый американский физик) приехал в Балтимор, чтобы позаниматься химией в4 местном университете. Поселившись в студенческом пансионе, Вуд вскоре прослышал, что хозяйка якобы частенько готовит утреннее жаркое из… остатков вчерашнего обеда, собранных с тарелок. Но как это доказать?

Большой любитель находить для любой задачи оригинальное и вместе с тем простое решение, Вуд не изменил себе и на этот раз. Однажды, когда на обед был подан бифштекс, он оставил на тарелке несколько больших кусков мяса, посыпав их хлоридом лития — совершенно безвредным веществом, похожим по виду и вкусу на обыкновенную поваренную соль. На следующий день кусочки жареного мяса, поданного студентам на завтрак, были "преданы сожжению" перед щелью спектроскопа. Красная линия спектра, присущая литию, поставила точку над i: чрезмерно экономная хозяйка пансиона была разоблачена. А сам Вуд много лет спустя с удовольствием вспоминал о своем следственном эксперименте.