Рассказы о металлах

Металл космического века

Сказки превращаются в быль. — Изумрудные копи царицы Клеопатры. — Хобби римского императора. — "Он зелен, чист, весел и нежен… " — Тайна инков. — Следствие ведет знаток. — Уникальный камень возвращается в Россию. — "Зеленое утро и кровавый вечер". — Джильда ищет бериллий. — О чем рассказывают сосны? — Сенсационное сообщение. — Возмутитель спокойствия. — Тяжкое обвинение. — "Приговор" пересмотрен. — В космос! — Странный заказ. — Взрыва не будет. — Союз легчайших. — Важное открытие. — Нейтроны замедляют бег. — Звук бьет рекорды. — Атомная "игла". — Рукотворные самоцветы.

"Бериллий — один из самых замечательных элементов, огромного теоретического и практического значения.

…Овладение воздухом, смелые полеты самолетов и стратостатов невозможны без легких металлов; и мы уже предвидим, что в помощь современным металлам авиации — алюминию и магнию — придет и бериллий.

И тогда наши самолеты будут летать со скоростью в тысячи километров в час.

За бериллием будущее!

Геохимики, ищите новые месторождения. Химики, научитесь отделять этот легкий металл от его спутника — алюминия. Технологи, сделайте легчайшие сплавы, не тонущие в воде, твердые, как сталь, упругие, как резина, прочные, как платина, и вечные, как самоцвет…

Может быть, сейчас эти слова кажутся сказкой. Но как много сказок на наших глазах превратилось в быль, влилось в наш простой домашний обиход, а мы забываем, что еще 20 лет тому назад наши радио и звуковое кино звучали фантастической сказкой".

Так писал почти полвека назад крупнейший советский ученый академик А.Е. Ферсман, уже тогда сумевший по достоинству оценить значение бериллия.

Да, бериллий — это металл будущего. И в то же время в Периодической системе найдется немного элементов, история которых, подобно истории бериллия, уходит в далекое-далекое прошлое.

…Свыше двух тысячелетий назад в безводной пустыне Нубии, где находились знаменитые изумрудные копи царицы Клеопатры, рабы добывали чудесные кристаллы зеленого камня. Караваны верблюдов доставляли изумруды к берегам Красного моря, а оттуда они попадали во дворцы властителей стран Европы, Ближнего и Дальнего Востока — византийских императоров, персидских шахов, китайских богдыханов, индийских раджей.

Великолепным блеском, чистотой окраски, красотой игры — то густо-зеленый, почти темный, то сверкающий ослепительной зеленью — изумруд во все времена пленял человека. "В сравнении с ним, — писал римский историк Плиний Старший, — никакая вещь зеленее не зеленеет…". По преданию, жестокий и самовлюбленный римский император Нерон обычно смотрел на кровавые бои гладиаторов через большой отшлифованный кристалл изумруда. Когда в Риме вспыхнул пожар, Нерон любовался пляшущими языками огня через тот же "оптический" изумруд, в котором оранжевые краски пламени зловеще сливались с зеленью камня[1]. "Он зелен, чист, весел и нежен, как трава весенняя…" — писал об изумруде А.И. Куприн.

С открытием Америки в историю зеленого камня была вписана новая страница. В могилах и храмах Мексики, Перу, Колумбии испанцы обнаружили множество крупных темно-зеленых изумрудов. За несколько лет испанцы разграбили эти сказочные богатства. Найти же место, где добывался чудесный самоцвет, им долго не удавалось. И только в середине XVI столетия завоеватели Америки сумели, наконец, овладеть тайной инков и проникнуть к сокровищам изумрудных копей Колумбии.

Редкий по красоте колумбийский изумруд царил в ювелирном деле до XIX века. В 1831 году уральский смолокур Максим Кожевников, собирая валежник в лесу близ небольшой речушки Токовой, нашел первый русский изумруд. Крупные ярко-зеленые изумруды Урала быстро получили признание ювелиров всего мира.

Разработкой уральских изумрудных копей руководил в то время "исправляющий должность командира" Екатеринбургской гранильной фабрики Яков Коковин, кристально честный человек, большой знаток и художник камня. В 1834 году к нему попал найденный на одном из приисков громадный изумруд, весивший более двух килограммов. Мог ли он тогда знать, какую роковую роль сыграет в его судьбе этот красивый камень, вошедший в историю минералогии как "изумруд Коковина"?

Наиболее ценные камни командир гранил сам. И на этот раз он намеревался своими руками произвести огранку самоцвета-великана. Но его планам не суждено было сбыться: из Петербурга по ложному доносу внезапно нагрянула ревизия, у Коковина учинили обыск и "нашли" изумруд, который тот и не собирался прятать. Вместе с камнем его под стражей отправили в столицу. Следствие по этому делу вел граф Перовский, слывший большим знатоком и любителем драгоценных камней. Он и довел дело до желанного для себя конца: ни в чем не повинного Коковина граф упрятал в тюрьму (где сломленный несправедливыми наветами мастер вскоре покончил с собой), а изумруд, минуя государственную казну, пополнил коллекцию графа. Но у того камень не задержался: крупно проиграв в карты, знатный вельможа вынужден был расстаться с ним, и изумруд перекочевал к тайному советнику князю Кочубею, владельцу крупнейшей в России коллекции самоцветов. После смерти князя его сын перевез немало ценных камней, среди которых находился и "изумруд Коковина", в Вену, где устроил их распродажу. По настоянию российской Академии наук царское правительство за огромные деньги выкупило коллекцию. Самый крупный в мире изумруд вернулся на родину и сейчас украшает экспозицию Минералогического музея Академии наук СССР в Москве

Изумруд — один из многих минералов бериллия. Голубовато-зеленый, цвета морской воды аквамарин и вишнево-розовый воробьевит, винно-желтый гелиодор и желтовато-зеленый берилл, чистейшей воды фенакит и нежный синий эвклаз, прозрачный зеленый хризоберилл и его удивительная разновидность александрит — густо-зеленый днем и малиновый при искусственном освещении ("зеленое утро и кровавый вечер" — образно описал его Н.С. Лесков) — вот лишь некоторые, но, пожалуй, наиболее именитые представители семейства бериллиевых самоцветов.

Земная кора отнюдь не бедна бериллием, хотя этот элемент прочно снискал себе репутацию редкого. Объясняется это, в частности, тем, что найти бериллиевые минералы подчас бывает нелегко. И тут на помощь человеку может прийти его давний друг — собака. В последнее время в литературе часто появляются сообщения о поисках полезных ископаемых с помощью четвероногих "геологов". Об умении собак находить что-либо или кого-либо по запаху известно немало фактов и легенд. Но каковы их геологические способности? Какие минералы могут отыскать лохматые рудознатцы? "Ответить на этот вопрос нам помогла коллекция Минералогического музея Академии наук СССР, — рассказывает доктор биологических наук Г.А. Васильев — инициатор нового направления в разведке спрятанных в земле природных кладов. — Особенно эффективным оказался опыт с металлическим бериллием: понюхав его, собака по кличке Джильда затем из множества минералов выбрала изумруд, аквамарин, воробьевит, фенакит, бертрандит, т. е. все то и только то, что содержит бериллий. Разложив все бериллийсодержащие минералы среди других образцов и дав их выбрать собаке, мы снова просили собаку искать. Тогда Джильда шла по музею, ложилась грудью на витрину, где находился огромный изумруд, и лаяла".

Представители флоры тоже готовы внести свою лепту в поиск бериллиевых месторождений. В этой роли может выступать обыкновенная сосна, имеющая склонность отбирать бериллий из почвы и накапливать его в своей коре. Если сосна растет недалеко от залегания бериллиевых минералов, то концентрация этого элемента в сосновой коре оказывается в сотни раз выше, чем в почве, и в десятки раз выше, чем в коре других деревьев, например березы или лиственницы.

Как вы уже знаете, ювелиры с почтением относятся ко многим бериллиевым камням-самоцветам, а вот технологи, занятые производством металлического бериллия, более разборчивы в своих привязанностях: из всех бериллиевых минералов они ценят лишь берилл, ибо только этот минерал имеет промышленное значение. В природе встречаются кристаллы-гиганты берилла: масса их достигает десятков тонн, длина — нескольких метров. А недавно на Мадагаскаре обнаружен монокристалл берилла, весящий 380 тонн. Длина этого "кристаллика" 18 метров, его поперечник 3,5 метра.

В Горном музее в Ленинграде есть интересный экспонат — полутораметровый кристалл берилла. В блокадную зиму 1942 года вражеский снаряд пробил крышу здания и разорвался в главном зале. Осколки серьезно повредили кристалл, и казалось, что ему уже не найдется места в экспозиции музея. Но после кропотливой ювелирной работы художников-реставраторов камень был восстановлен в первоначальном виде. Сейчас о пережитой им операции напоминают лишь два поржавевших снарядных осколка, вмурованных в пластину из органического стекла, да пояснительная табличка, рассказывающая об этом экспонате.

Не удивительно, что бериллиевые камни-самоцветы издавна привлекали внимание не только любителей драгоценностей, но и химиков.

В XVIII веке, когда науке еще не был известен элемент, находящийся сейчас в Периодической системе под номером 4, многие ученые пытались анализировать берилл, однако никто не смог обнаружить содержащийся в нем металл. Он словно прятался за спину алюминия и его соединений — свойства этих элементов удивительно схожи. Но различия все же были. И первым, кому удалось их заметить, стал французский химик Луи Никола Воклен. 26 плювиоза VI года революционного календаря (т. е. 15 февраля 1798 года) на заседании французской Академии наук Воклен сделал сенсационное сообщение о том, что в берилле и изумруде содержится новая "земля", отличная по своим свойствам от глинозема, или-оксида алюминия.

Соли нового элемента имели сладковатый привкус, и потому Воклен предложил назвать его глицинием (по-гречески "гликос" — сладкий), однако многие ученые сочли это название неудачным, поскольку сладкий вкус присущ солям и других элементов, например иттрия. По предложению известных химиков немца Клапрота и шведа Экеберга, также занимавшихся исследованиями берилла, открытый в этом минерале химический элемент был назван бериллием, а название глициний долгое время сохранялось лишь во французской химической литературе.

Сходство бериллия и алюминия доставило немало хлопот создателю Периодической системы элементов Д.И. Менделееву. Дело в том, что в середине XIX века бериллий именно из-за этого сходства считался трёхвалентным металлом с атомной массой 13,5 и, следовательно, должен был занимать в таблице место между углеродом и азотом. Это вносило явную путаницу в закономерное изменение свойств элементов и ставило под сомнение правильность Периодического закона. Менделеев, убежденный в своей правоте, считал, что атомная масса бериллия определена неверно, что элемент должен быть не трехвалентным, а двухвалентным с магнезиальными свойствами. На основании этого он поместил бериллий во вторую группу, исправив его атомную массу на 9. Вскоре это вынуждены были подтвердить шведские химики Нильсон и Патерсон, которые ранее были твердо убеждены в трех-валентности бериллия. Их тщательные исследования показали, что атомная масса этого элемента равна 9,1. Так, благодаря бериллию — возмутителю спокойствия в Периодической системе — восторжествовал один из важнейших химических законов.

Судьба этого элемента во многом сходна с судьбами его собратьев-металлов. В свободном виде он был выделен в 1828 году немецким химиком Вёлером и независимо от него французским химиком Бюсси, но лишь спустя семь десятилетий француз Лебо электролизом расплавленных солей смог получить чистый металлический бериллий. Не мудрено, что еще в начале нашего века химические справочники безапелляционно обвиняли бериллий в "тунеядстве": "Практического применения не имеет".

Однако бурное развитие науки и техники, которым ознаменовался XX век, заставило химиков и других специалистов пересмотреть этот явно несправедливый приговор. Изучение чистого бериллия показало, что он обладает многими ценными и интересными свойствами.

Один из самых легких металлов, бериллий характеризуется в то же время солидной прочностью, большей, чем у конструкционных сталей, не говоря уже о "коллегах" бериллия по группе металлов-легковесов. Так, если алюминиевая проволока сечением 1 квадратный миллиметр способна выдержать лишь чуть более 10 килограммов (например, ведро с водой), то бериллиевая проволока такого же сечения выдерживает груз в шесть раз тяжелее, т. е. равный приблизительно массе тела взрослого человека. В то же время бериллий. плавится при гораздо более высокой температуре, чем магний и алюминий. Такое удачное сочетание свойств делает бериллий сегодня одним из основных авиационных материалов. Детали самолета, изготовленные из этого металла, намного легче, чем алюминиевые.

Отличная теплопроводность, высокая теплоемкость и жаропрочность дают возможность использовать бериллий и его соединения в космической технике в качестве теплозащитного материала. Из бериллия были выполнены, например, элементы тепловой защиты кабины американского космического корабля "Меркурий".

Бериллиевые детали, сохраняющие высокую точность и стабильность размеров, используются в гироскопах — приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

С точки зрения освоения космического пространства весьма перспективно еще одно свойство бериллия: при его горении выделяется огромное количество тепла. В этом отношении с ним не в силах конкурировать ни один другой металл. Не случайно конструкторы космической техники рассматривают бериллий как возможный компонент высокоэнергетического ракетного горючего для полетов на Луну и более далекие от нас небесные тела. Предложено также изготовлять из него топливные резервуары ракетных систем: когда горючее израсходуется, вместо него можно будет использовать (или, попросту говоря, сжечь) бериллиевую "тару".

Широкое применение в авиации находят сплавы меди с бериллием — бериллиевые бронзы. Из них изготовляют многие изделия, от которых требуются большая прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в значительном интервале температур, высокая электро- и теплопроводность. Подсчитано, что в современном тяжелом самолете свыше тысячи деталей сделано из этих сплавов. Благодаря своим упругим свойствам бериллиевая бронза служит прекрасным пружинным материалом. Пружины из такой бронзы практически не знают усталости: они способны выдерживать миллиарды циклов значительной по величине нагрузки!

Кстати, именно с пружинами связан любопытный эпизод из истории второй мировой войны. Гитлеровская промышленность была отрезана от основных источников бериллиевого сырья. Мировая добыча этого ценного стратегического металла практически полностью находилась в руках США. И немцы пошли на хитрость. Они решили использовать нейтральную Швейцарию для контрабандного ввоза бериллиевой бронзы: американские фирмы получили от швейцарских "часовщиков" заказ на такое ее количество, которой хватило бы на часовые пружины всему миру лет на пятьсот вперед. Хитрость, правда, была разгадана, и этот заказ остался невыполненным. Но все же время от времени в новейших марках скорострельных авиационных пулеметов, поступавших на вооружение фашистской армии, появлялись пружины из бериллиевой бронзы.

Усталость — одно из "профессиональных заболеваний" многих металлов и сплавов, которые, не выдерживая переменных нагрузок, постепенно разрушаются. Добавка же в сталь даже небольшого количества бериллия как рукой снимает усталость. Если автомобильные рессоры из обычной углеродистой стали ломались уже после 800–850 тысяч толчков, то после введения я сталь "витамина Be" рессоры выдерживали десятки миллионов толчков, не обнаруживая и следов усталости.

В отличие от стали, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл, поэтому ее широко используют для изготовления инструмента, применяемого на взрывоопасных работах — в шахтах, на пороховых заводах, нефтебазах.

Бериллий существенно влияет на свойства магния. Так, присадка всего нескольких тысячных долей процента бериллия предотвращает возгорание магниевых сплавов при плавке и разливке (т. е. примерно при 700 °C). Резко уменьшается при этом и коррозия сплавов — как на воздухе, так и в воде

Большое будущее принадлежит, по-видимому, сплавам бериллия с литием. Союз этих двух легчайших металлов приведет, быть может, к появлению отличных конструкционных сплавов — прочных, как сталь, и легких, как дерево.

По своим химическим данным бериллий мог бы с успехом выполнять роль раскислителя стали, помогая ей избавляться от проникшего в нее кислорода. К сожалению, он еще слишком дорог, и использовать его в больших количествах металлургии пока не могут. Но они нашли бериллию другое важное применение, где расход его невелик: насыщение этим металлом поверхности стальных изделий — бериллизация — значительно повышает их твердость, прочность, износостойкость.

Весьма благосклонны к бериллию рентгенотехники — ведь он лучше всех других устойчивых на воздухе металлов пропускает рентгеновские лучи. Сейчас из него во всем мире делают окна для рентгеновских трубок. Пропускная способность таких окон почти в двадцать раз выше, чем алюминиевых, применявшихся ранее для этой цели.

Бериллий сыграл заметную роль в развитии учения о строении атома и его ядра. Еще в начале 30-х годов немецкие физики Боте и Беккер, бомбардируя бериллий альфа-частицами, обнаружили так называемое бериллиевое излучение — очень слабое, но обладающее значительной проникающей силой: лучи проходили через слой свинца толщиной несколько сантиметров. Природу этого излучения установил в 1932 году англичанин Чэдвик. Оказалось, что оно представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых примерно равна массе протона. Новые частицы были названы нейтронами.

Отсутствие электрического заряда позволяет нейтронам легко внедряться в ядра атомов других элементов. Это свойство сделало нейтрон эффективнейшим снарядом атомной артиллерии. Сейчас нейтронные пушки широко применяются для осуществления ядерных реакций.

Изучение атомной структуры бериллия показало, что для него характерно малое сечение захвата нейтронов и большая величина их рассеяния. Благодаря этому бериллий рассеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет скорость до таких значений, при которых цепные реакции протекают более эффективно. Из всех твердых материалов бериллий считается лучшим замедлителем нейтронов. Прекрасно справляется он с ролью отражателя нейтронов, возвращает их в активную зону реактора, противодействует их утечке. Ему присуща также высокая радиационная стойкость, сохраняющаяся при очень больших температурах. Все эти замечательные свойства делают бериллий одним из самых необходимых элементов «томной техники.

Несомненный интерес для науки представляет "звукопропускная" способность этого металла. В воздухе скорость звука составляет 330 метров — в секунду, в воде — около 1500 метров. В бериллии же звук побивает все рекорды, преодолевая за секунду 12600 метров (в 2–3 раза больше, чем в других металлических материалах). На эту особенность уже обратили внимание создатели музыкальных инструментов.

Многими ценными свойствами обладает и оксид бериллия. Высокая огнеупорность (температура плавления более 2600 °C), значительная химическая стойкость и большая теплопроводность позволяют использовать этот материал для футеровки индукционных печей, изготовления тиглей для плавки различных металлов и сплавов. Так, для выплавки бериллия в вакууме применяют тигли только из оксида бериллия, который с ним абсолютно не взаимодействует. Этот оксид служит основным материалом для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов.

Теплоизоляционные свойства оксида бериллия, возможно, будут использованы и при исследовании глубинных слоев нашей планеты. Существует проект взятия проб из мантии Земли с глубин до 32 километров с помощью так называемой "атомной иглы", представляющей собой миниатюрный атомный реактор, который заключен в теплоизолирующий футляр из оксида бериллия с острием из тяжелых вольфрамовых сплавов.

Оксид бериллия имеет уже большой стаж работы в стекольной промышленности. Добавки его повышают твердость, показатель преломления и химическую стойкость стекол. Введение оксида и других соединений бериллия позволяет получать специальные стекла высокой прозрачности для всех лучей спектра — от ультрафиолетовых до инфракрасных.

Оксид бериллия служит и исходным сырьем для создания искусственных изумрудов и других бериллиевых самоцветов, выращиваемых при высоких давлениях и температурах. Этот процесс осуществляется сегодня уже не только в научных лабораториях, но и в производственных условиях.

…Сбылись пророческие слова замечательного ученого и мечтателя А.Е. Ферсмана. Совсем немного времени понадобилось бериллию, чтобы оправдать возлагаемые на него надежды. Из малоизвестного редкого элемента он превратился сегодня в один из важнейших металлов XX века.