Рассказы о металлах

Рожденный в муках

Грехи и муки Тантала. — Сходство вводит в заблуждение. — Ясность внесена. — Рука об руку. — На 101-м году жизни. — Предчувствия не обманули. — Нужна характеристика. — Со спичечную головку. — Интерес растет. — Бессилие царской водки. — Ремонт черепов? — Танталовые нервы. — Гуманная миссия. — Солидный заказчик. — Чудовищные температуры не страшны. — Работа под напряжением. — Долой газы! — Солидарность с Танталом. — Завидное постоянство. — В руках ювелиров. — Затраты окупаются.

Мифологический сын Зевса фригийский царь Тантал, слывший любимцем богов, удостоился великой чести: он был допущен к их собраниям и трапезам, обычно проходившим на священной горе Олимп. Но Тантал начал злоупотреблять столь высоким доверием. Сначала он разгласил некоторые тайные решения, принятые олимпийцами. Затем в разгар божественного ужина похитил со стола нектар и амброзию. Скрепя сердце боги сделали вид, что не заметили этих грехов. Но однажды Тантал проявил неслыханную жестокость и к тому же явное непочтение к богам: пригласив их к себе на пиршество, подал мясное блюдо, приготовленное из тела убитого им накануне собственного сына Пелопса. Этого разгневанные властелины неба уже не могли простить и решили обречь Тантала на вечные муки жажды, голода и страха.

С тех пор стоит он в преисподней по горло в прозрачной воде. Под тяжестью созревших плодов склоняются к нему ветви деревьев. Когда томимый жаждой Тантал открывает уста, чтобы напиться, вода уходит от его губ. Стоит ему протянуть руку к сочным плодам, ветер поднимает ветвь, и обессилевший от голода грешник не может ее достать. А над его головой нависла скала, грозя вот-вот обрушиться.

Так мифы древней Греции повествуют о "муках Тантала".

Должно быть, не раз пришлось шведскому химику Андресу Густаву Экебергу вспомнить о мучениях этого мифологического страдальца, когда он безуспешно пытался растворить в кислотах открытую им в 1802 году в одном из скандинавских Минералов новую "землю". Столько раз, казалось, ученый был близок к цели, но выделить из "земли" новый металл ему так и не удалось. В конце концов он вынужден был отказаться от этой затеи, но, видимо, в память о своих мучениях решил назвать новичка "танталом".

Спустя некоторое время выяснилось, что у тантала есть близнец, который, правда, появился на свет годом раньше, но почти не отличался от него по свойствам. Этим близнецом был Колумбии, открытый в 1801 году англичанином Чарльзом Хатчетом. Их поразительное сходство ввело в заблуждение многих химиков. После долгих споров они пришли к ошибочному выводу, что речь идет об одном и том же элементе — тантале.

Заблуждаться ученым суждено было более сорока лет. Лишь в 1844 году немецкому химику Генриху Розе удалось внести ясность в этот запутанный вопрос и доказать, что Колумбии, как и тантал, имеет полное право претендовать на индивидуальное место под Солнцем. А уж поскольку налицо были родственные связи этих элементов. Розе дал Колумбию новое имя — ниобий, которое подчеркивало их семейственность (мифологическая богиня Ниоба — дочь Тантала).

С тех пор тантал и ниобий шагают рука об руку по жизненному пути. А путь этот был тернистым…

На протяжении многих десятилетий промышленный мир не проявлял к танталу никакого интереса. Да, собственно говоря, тантала, как такового, попросту и не существовало: ведь в чистом компактном виде тантал удалось получить лишь после того, как он отпраздновал столетие со дня своего рождения. Это произошло в самом начале нашего века — в 1903 году. И тогда же, т. е. на 101-м году жизни, он получил наконец приглашение на работу: узнав, что этот металл обладает весьма тугоплавким характером, ученые решили использовать его для нитей электроламп. Не имея других предложений, тантал вынужден был дать согласие, хотя чувствовал, что это не его призвание.

И, действительно, суровые законы конкурентной борьбы, царящие в мире металлов, вскоре лишили тантал работы. На это теплое местечко был взят другой металл — вольфрам, который оказался еще более тугоплавким.

Снова потянулись годы вынужденного безделья. На "бирже труда" котировались лишь те металлы, которые либо были давно известны, либо успели представить свои отличные характеристики, заверенные физиками, химиками и другими учеными. Тантал в то время имел мало знакомств в мире науки и техники и вынужден был сидеть сложа руки. Но удача все же пришла: в 1922 году он был успешно применен в выпрямителях тока, а спустя год — в радиолампах. Тогда же началась разработка промышленных методов получения этого металла.

Любопытно, что первый промышленный штабик тантала (полуфабрикат, подвергаемый дальнейшей обработке), который был получен в 1922 году, не превышал по величине спичечную головку. В последнее время на танталовых заводах рождаются штабики иногда в тысячу раз крупнее первенца.

Тантал — редкий металл: в земной коре на его долю приходится лишь 0,0002 %. Однако минералов, содержащих этот элемент, в природе насчитывается более 130 (как правило, тантал в них неразлучен с ниобием). До второй мировой войны добыча тантало-ниобиевых руд была невелика, однако уже к концу войны она возросла в несколько раз. Повышенный интерес к танталу объясняется просто: к этому времени науке стали известны многие его ценные свойства, которые не могли оставить равнодушными представителей различных областей техники и других сфер человеческой деятельности.

Что же представляет собой тантал? Это тяжелый светло-серый металл со слегка синеватым отливом. По тугоплавкости (температура плавления около 3000 °C) он уступает лишь вольфраму и рению. Высокая прочность и твердость сочетаются в нем с отличными пластическими характеристиками. Чистый тантал хорошо поддается механической обработке, легко штампуется, раскатывается в тончайшие листы (толщиной в сотые доли миллиметра) и проволоку. Но несомненно самым важным свойством тантала является исключительная химическая стойкость — в этом отношении он уступает только благородным металлам, да и то не во всех случаях. Тантал не растворяется даже в таких грозных химических агрессорах, как царская водка и концентрированная азотная кислота. При 200 °C в 70 %-ной азотной кислоте тантал вовсе не подвергается коррозии; в серной кислоте при 150 °C коррозии также не наблюдается, а при 200 °C металл корродирует лишь на 0,006 миллиметра в год. Это делает тантал ценным конструкционным материалом для химической промышленности.

Танталовую аппаратуру применяют при производстве многих кислот (соляной, серной, азотной, фосфорной, уксусной), пероксида водорода, брома, хрома. На одном из предприятий, использующих газообразный хлористый водород, детали из нержавеющей стали выходили из строя уже через два месяца. Но как только сталь была заменена танталом, даже самые тонкие детали (толщиной 0,3–0,5 миллиметра) оказались практически вечными: срок службы их увеличился до двадцати лет. Лишь плавиковая кислота вправе утверждать, что перед ней пасует сам тантал.

Танталовые катоды применяют при электролитическом выделении золота и серебра. Достоинство этих катодов в том, что осадок золота и серебра растворяется царской водкой, которая не может причинить вреда танталу.

Уникальное качество тантала — его высокая биологическая совместимость с живыми тканями, т. е. способность уживаться с тканями тела, не вызывая их раздражения. На этом свойстве основано широкое применение его в медицине, главным образом в восстановительной хирургии — для "ремонта" человеческого организма. Пластинки из этого металла используют при повреждениях черепа. В литературе описан случай, когда из танталовой пластинки было создано искусственное ухо, причем пересаженная с бедра кожа при этом настолько хорошо прижилась, что ухо трудно было отличить от настоящего. Танталовая пряжа служит для возмещения мускульной ткани. С помощью тантала хирурги укрепляют после операции стенки брюшной полости. Танталовые скрепки, подобные тем, которыми сшивают тетради, надежно соединяют кровеносные сосуды. Сетки из тантала применяют при изготовлении глазных протезов. Тончайшие нити этого металла заменяют сухожилия и даже нервные волокна. И если выражение "железные нервы" обычно употребляется в переносном смысле, то людей с танталовыми нервами вы, быть может, не раз встречали на улице.

Медицина хотя и не самое важное, но, пожалуй, самое благородное занятие тантала. Право, есть что-то символическое в том, что именно на долю металла, названного в честь мифологического мученика, выпала гуманная миссия — облегчать людские страдания и муки.

На медицинские нужды расходуется примерно 5 % производимого в мире тантала. Около 20 % потребляет химическая промышленность. Основной же заказ на этот металл и его соединения (более 45 %) поступает от металлургов. В последние годы тантал все чаще используют в качестве легирующего элемента в специальных сталях — высокопрочных, коррозионностойких, жаропрочных. Действие, оказываемое на сталь танталом, сходно с влиянием ниобия. Добавка этих металлов к обычным коррозионностойким хромистым сталям повышает их прочность, понижает хрупкость после закалки и отжига.

Очень важная область применения тантала — производство жаропрочных сплавов, в которых все больше и больше нуждается ракетная и космическая техника. Замечательными свойствами обладает конструкционный сплав, состоящий из 90 % тантала и 10 % вольфрама. Листы из такого сплава можно применять до 2500 °C, а более массивные детали выдерживают чудовищные температуры — выше 3300 °C! За рубежом этот сплав считают вполне надежным для изготовления форсунок, выхлопных труб, деталей систем газового контроля и регулирования, передней кромки и многих других ответственных узлов космических кораблей. В тех случаях, когда сопла ракет охлаждаются жидким металлом, способным вызвать коррозию (литием или натрием), без сплава тантала с вольфрамом просто невозможно обойтись.

Еще более поразительной становится жаропрочность деталей из танталовольфрамового сплава, если на них нанесено покрытие — слой карбида тантала (температура плавления 4000 °C). При опытных запусках ракет такие сопла выдерживали колоссальные температуры, при которых сплав без покрытия довольно быстро корродирует и разрушается.

Карбид тантала отличается и очень высокой твердостью (близкой к твердости алмаза), благодаря которой он широко применяется в производстве твердых сплавов. При скоростном резании металл настолько нагревается, что стружка приваривается к режущему инструменту — кромка его выкрашивается, ломается. Резцам, изготовленным из твердых сплавов на основе карбида тантала, выкрашивание не грозит, и они служат весьма продолжительный срок.

Многие записи в "трудовой книжке" тантала свидетельствуют о его тесных связях с электрическим током: значительная часть мирового производства этого металла потребляется электротехнической и электровакуумной промышленностью. Танталовые выпрямители применяют в сигнальной службе железных дорог, телефонных коммутаторах, противопожарных сигнальных системах. Миниатюрные танталовые конденсаторы используют в передаточных радиостанциях, радарных установках и других электронных схемах.

Тантал служит материалом для различных деталей электровакуумных приборов. Как и ниобий, он является отличным геттером, т. е. газопоглотителем. Так, при 800 °C тантал способен поглотить 740 объемов газа. Адсорбируя газы, оставшиеся в электронных лампах после откачки вакуум-насосами, геттеры обеспечивают высокую степень разрежения. Из тантала изготовляют горячую арматуру ламп — аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие нагреваемые детали. В тантале особенно нуждаются те лампы, которые, работая при высоких температурах и напряжениях, должны долго сохранять точные характеристики. В некоторых типах вакуумных ламп тантал применяют для поддержания давления газа на определенном уровне.

Танталовую проволоку можно встретить в криотронах — сверхпроводящих элементах, используемых в вычислительной технике.

Упомянем еще об одном электротехническом занятии тантала: он служит отличным материалом для газовых разрядников. Металл, словно из солидарности со своим мифическим тезкой Танталом, бросает вызов Зевсу-громовержцу, разряжая молнии, которые тот в гневе посылает на землю.

При производстве искусственного шелка волоки для протягивания нитей имеют мельчайшие отверстия — диаметр их равен сотым долям миллиметра. Волоки часто засоряются, и их постоянно приходится чистить. Но при этом диаметр отверстия должен оставаться строго постоянным. Естественно, что для волок необходим прочный, износостойкий, некорродируемый материал. Вот почему эти детали изготовляют из тантала — металла, отвечающего всем этим требованиям.

В последнее время тантал начал пробовать свои силы и в ювелирном деле: во многих случаях ему удается успешно заменять платину. Такая замена дает солидную экономию: ведь платина во много раз дороже тантала. Ювелирной деятельности этого металла способствует его свойство покрываться тончайшей пленкой красивых радужных цветов. Тантал используют для изготовления часов, браслетов, различных украшений.

Международное Бюро мер и весов во Франции и Бюро стандартов США применяют тантал вместо платины для изготовления стандартных аналитических разновесов большой точности. В производстве наконечников для перьев автоматических ручек тантал выступает как заменитель весьма дорогого иридия.

Конечно, конкурировать по стоимости с платиной или иридием танталу тяжело, однако цены на него тоже довольно высоки. Во многом это объясняется дороговизной используемых в производстве тантала материалов и сложностью технологии его получения. Достаточно сказать, что для получения 1 тонны танталового концентрата необходимо переработать до 3000 тонн руды. Но все затраты окупаются с лихвой.

…Уже отошли в область преданий молодые годы тантала, когда он был полон сил и желания трудиться, но тем не менее рисковал прослыть тунеядцем. В наши дни, как вы убедились, работы у этого металла хватает. А сколько важных, нужных и интересных дел ему еще предстоит свершить!..