Рассказы о металлах

Борец с усталостью

Проблемы алхимиков. — Истина в воде. — Обошлись без фейерверка. — В пламени спички. — В нижних слоях мантии. — "Горная кожа". — Какой способ лучше? — Нептун может спать спокойно. — Каждый вносит свой пай. — В жаркие минуты. — На металлургическом поприще. — В борьбе со вспыльчивостью. — Что происходит под водой? — Скафандр готов. — "Спокойно, снимаю!" — Есть дела поважней. — В яичной скорлупе. — Ешьте бананы. — Грозит инфаркт. — Сын или дочь? — Не только в медицине. — Ждать не надо. — Спустя столетие. — Подобно скрипке. — Лучшая роль впереди. — "Командировка" на Луну.

Одной из основных проблем, над которой бились "научные работники" средневековых алхимических лабораторий, были поиски пресловутого "философского камня". С его помощью они надеялись найти тайну получения золота из неблагородных металлов.

Поиски велись в различных направлениях. Одни предлагали использовать для этой цели свинец, который требовалось нагреть до получения "красного льва" (т. е. до расплавления), а затем кипятить в кислом виноградном спирте. Другие считали, что самым подходящим сырьем для производства "философского камня" является моча животных. Третьи утверждали, что истина — в воде.

В конце XVIII века один из английских алхимиков, по-видимому сторонник третьего направления, выпаривая воду, вытекающую из земли вблизи города Эпсом, получил вместо "философского камня" соль, обладающую горьким вкусом и слабительным действием. Спустя несколько лет выяснилось, что при взаимодействии с "постоянной щелочью" (так в те времена называли соду и поташ) эта соль образует белый легкий рыхлый порошок. Точно такой же порошок получался при прокаливании минерала, найденного в окрестностях древнегреческого города Магнесии. За это сходство эпсомская соль была названа белой магнезией.

В 1808 году английский ученый Гемфри Дэви, анализируя белую магнезию, получил новый элемент, который он назвал магнием. Торжества по случаю открытия нового элемента не сопровождались фейерверком, поскольку в те времена еще не было известно, что новорожденный обладает отличными пиротехническими свойствами.

Магний — очень легкий серебристо-белый металл. Он почти в пять раз легче меди или железа; даже "крылатый" алюминий в полтора раза тяжелее магния. Температура плавления магния сравнительно невысока — всего 650 °C, но в обычных условиях расплавить магний довольно трудно: нагретый на воздухе до 560 °C, он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем (это свойство магния широко используют в пиротехнике). Чтобы поджечь этот металл, достаточно поднести к нему зажженную спичку, а в атмосфере хлора он загорается даже при комнатной температуре. При горении магния выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла: нескольких граммов этого "топлива" хватит, чтобы вскипятить стакан ледяной воды. Этим свойством магния оригинально воспользовались ученые Варшавского института промышленной химии: они предложили конструкцию консервных банок с нагревателем, которым служит магниевая лента: как только открывается банка, лента загорается и через две-три минуты горячее блюдо можно подавать на стол.

На воздухе магний быстро тускнеет, так как покрывается оксидной пленкой. Эта пленка служит надежным панцирем, предохраняющим металл от дальнейшего окисления.

Магний весьма агрессивен: он легко отнимает кислород и хлор у большинства элементов. Будучи устойчивым против воздействия некоторых кислот, соды, едких щелочей, бензина, керосина, минеральных масел, магний бессилен против морской воды и вынужден растворяться в ней. Он почти не реагирует с холодной водой, но энергично вытесняет водород из горячей.

Земная кора богата магнием (более 2,3 %): лишь семь его "коллег" по таблице Менделеева находятся в природе в больших количествах. Как полагают ученые, особенно велико содержание этого элемента в нижних слоях земной мантии. Магний входит в состав почти двухсот минералов. Среди них есть совсем не обычный: его легко сложить, как носовой платок в него можно завернуть что-либо, как в бумагу, наконец, его нетрудно разорвать пальцам в клочки.

Уникальный образец такого минерала был найден в 1953 году на Дальнем Востоке При проходке шахты в месторождении полиметаллических руд рабочие обнаружили небольшую пещеру и в ней — свисающую с потолка серовато-белую "занавесь", как бы сложенную вдвое. На ощупь эта "занавесь", имевшая метра полтора в длину и около метра в ширину, напоминала замшу — была так же мягка и эластична. Поражала и необыкновенная легкость "ткани". Интересную находку направили в Москву. Химический анализ показал, что она состоит в основном из алюмосиликата магния и представляет собой палыгорскит — минерал группы асбеста, впервые обнаруженный в 20-х годах нашего века в Палыгорском месторождении на Урале академиком А.Е. Ферсманом. За необычные свойства минерал чаще называют "горной кожей". Дальневосточный образец, который хранится в Минералогическом музее Академии наук СССР, примечателен тем, что "горная кожа" таких больших размеров найдена впервые в мире.

Наибольшее промышленное значение как магниевое сырье имеют магнезит, доломит карналлит.

Существуют два способа производства магния — электротермический и электролитический. В первом случае металл получают непосредственно из оксида, действуя на него каким-либо восстановителем — углеродом, алюминием и т. д. Этот способ довольно прост по своей идее и в последнее время находит все более широкое применение. Однако пока основным промышленным способом получения магния является электролитический, представляющий собой электролиз расплавленных магниевых солей, главным образом хлористых. Таким путем можно получать очень чистый металл, содержащий менее 0,01 % примесей.

Не только земная кора богата магнием — практически неисчерпаемые и постоянно пополняющиеся запасы его хранят голубые кладовые океанов и морей. Достаточно сказать, что в 1 кубическом метре морской воды содержится около 4 килограммов магния. Всего же в водах океанов и морей растворено свыше 6*1016 тонн этого элемента. Даже далекие от математики люди, видимо, могут представить, сколь грандиозна эта величина. Впрочем, для большей наглядности приведем следующий пример: с начала нашего летоисчисления человечество прожило лишь немногим более 60 миллиардов (6*10¹⁰) секунд. Если бы с первых дней нашей эры люди начали добывать магний из морской воды, то для того, чтобы к настоящему времени исчерпать все водные запасы этого элемента, пришлось бы каждую секунду извлекать по миллиону тонн магния!

Но пока Нептун может быть спокоен за свои богатства: даже во время второй мировой войны, когда производство магния было значительным, из морской воды получали всего 80 тысяч тонн магния в год (а не в секунду!). Технология извлечения его довольно проста. Морскую воду смешивают в огромных баках с известковым молоком, приготовляемым из размолотых морских раковин. В результате образуется так называемое магнезиальное молоко, которое затем превращается в хлорид магния. В дальнейшем магний отделяют от хлора электролизом. Сегодня уже в разных странах, главным образом в тех, которые не располагают солидными запасами магниевого сырья, действуют заводы по извлечению магния из морской воды. Попутно эти прибрежные предприятия получают поваренную и глауберову соль, хлор, большое количество питьевой воды и рассол для производства каустической соды.

Источником магния может быть и вода соленых озер, содержащая хлорид магния (так называемая рапа). У нас в стране такие "склады" магния есть в Крыму (Сакское и Сасык-Ивашское озера), в Поволжье (озеро Эльтон) и других районах. Богатые запасы магниевого сырья хранятся в заливе Кара-Богаз-Гол, в рапе которого содержится до 30 % солей этого элемента.

Итак, вы уже знаете, что представляет собой магний и как осуществляется его добыча. Ну, а для каких же целей служит этот элемент и его соединения?

Легкость могла бы сделать этот металл прекрасным конструкционным материалом. Но, увы, чистый магний — мягок и непрочен. Поэтому конструкторы вынуждены использовать сплавы магния с другими металлами. Особенно широко применяют сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем. Каждый из компонентов этого содружества вносит свой пай в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионные свойства. Ну, а магний? Магний придает сплаву легкость — детали из магниевого сплава на 20–30 % легче алюминиевых и на 50–75 % легче чугунных и стальных. В последнее время в ряде стран разработаны необычайно легкие конструкционные сплавы магния с литием, для которых, разумеется, всегда найдется интересная работа.

Легкость сплавов магния не могла не привлечь внимания авиаконструкторов. Еще в 1934 году в СССР был построен почти целиком и» магниевых сплавов самолет "Серго Орджоникидзе". Успешно выдержав испытания, самолет затем в течение нескольких лет находился в эксплуатации. Опыт пригодился в годы Великой Отечественной войны, когда из магниевых сплавов изготовляли колеса, корпуса приборов и другие авиадетали.

Веские основания есть у магния и для службы в ракетной технике: благодаря высокой теплоемкости магниевого сплава выполненные из него наружные элементы космического аппарата в жаркие минуты нагреваются значительно меньше, чем, например, стальные.

Автомобилестроение, текстильная промышленность, полиграфия, радиотехника, производство оптических приборов — где только не применяются сегодня легкие магниевые сплавы! Немаловажную роль играет этот элемент и в металлургии. Его применяют как восстановитель в производстве ряда металлов (ванадия, хрома, титана, циркония). Магний помогает раскислять сталь и сплавы — уменьшает содержание в них кислорода, оказывающего вредное влияние на металл.

Введенный в расплавленный чугун, магний модифицирует его, т. е. улучшает структуру и повышает многие механические свойства. Отливки из модифицированного чугуна с успехом заменяют стальные поковки. Но магний очень неохотно вступает в контакт с расплавом: из-за своей легковесности он не желает погружаться в жидкий металл, а, оставаясь на поверхности, ярко вспыхивает и разбрызгивает чугун из ковша. Вполне понятно, что такой фейерверк не устраивал металлургов. Выход удалось найти: из смеси магния, вспененной пластмассы и других компонентов решено было прессовать брикеты, с находящимся внутри их стальным стержнем, играющим роль грузила. Такой брикет уже послушно "ныряет" в расплавленный чугун. Добавки, обволакивающие магний, спокойно сгорают, не давая загореться вспыльчивому металлу. Стальной стержень быстро тает и растворяется в расплаве, а оставшемуся в одиночестве магнию ничего не остается делать, как приступать к модифицированию чугуна.

Химическая активность магния навела конструкторов гидросооружений на интересную мысль: погрузив магниевый лист в воду и соединив его проводником с подводной металлической конструкцией, можно создать своеобразный гальванический элемент огромных размеров, в котором вода служит электролитом. Магниевый лист, выполняющий функции активного электрода, постепенно разрушается, но зато надежно сохраняет металл основной конструкции. Такой магниевой защитой снабжены стальные и железобетонные эстакады, являющиеся фундаментом Нефтяных Камней — поселка промысловиков в Каспийском море.

Под водой для магния нашлась и другая работа: из сплавов этого металла в Англии изготовлен глубоководный скафандр, способный выдержать большие гидростатические давления. Недалеко то время, когда в таком легком и прочном одеянии геологи, буровики, монтажники будут вести на морском дне работы, связанные с добычей полезных ископаемых.

Свойство магния (в виде порошка, проволоки или ленты) гореть белым ослепительным пламенем широко используют в военной технике — для изготовления осветительных и сигнальных ракет, трассирующих пуль и снарядов, зажигательных бомб. До недавнего времени с этим элементом были хорошо знакомы фотографы: "Спокойно! Снимаю!" — и яркая вспышка магниевого порошка озаряла лица желавших запечатлеть себя для потомства. Сейчас в этой роли магний уже не выступает — мощные электрические лампы вынудили его подать в отставку.

Но вряд ли это печалит магний: у него есть дела и поважней. Ведь он участвует в грандиозной работе — аккумуляции солнечной энергии. Магний входит в состав хлорофилла — великого чародея, который поглощает солнечную энергию и с ее помощью превращает углекислый газ и воду в сложные органические вещества (сахар, крахмал и др.), необходимые для питания человека и животных. Процесс образования органических веществ, называемый фотосинтезом (от греческого слова "фотос" — свет), сопровождается выделением из листьев кислорода. Без хлорофилла не было бы жизни, а без магния не было бы хлорофилла — ведь в его составе 2 % этого элемента. А много ли это? Судите сами: общее количество магния только в хлорофилле растений составляет около 100 миллиардов тонн! Помимо растений, магний входит в состав практически всех живых организмов. Если вы весите, допустим, 60 килограммов, то примерно 25 граммов из них — это магний.

В середине 60-х годов полезную работу провели ученые Миннесотского университета в США, избравшие объектом научного исследования яичную скорлупу. Им удалось установить, что скорлупа тем прочнее, чем больше она содержит магния. Значит, изменяя состав корма для несушек, можно повысить ее прочность. О том, сколь важен этот вывод для сельского хозяйства, можно судить хотя бы по таким цифрам: только в штате Миннесота ежегодные потери из-за боя яиц превышают миллион долларов. Уж тут никто не скажет, что эта работа ученых яйца выеденного не стоит.

Магний широко используют в медицине: мы уже упоминали об "английской соли" (сульфат магния, или сернокислая магнезия), которая служит надежным слабительным. Чистый оксид магния (жженая магнезия) применяется при повышенной кислотности желудочного сока, изжоге, отравлении кислотами. Пероксид магния — известное дезинфицирующее средство при желудочных расстройствах.

Статистика утверждает, что у жителей районов с более теплым климатом спазмы кровеносных сосудов встречаются реже, чем у северян. Известно, что внутривенные и внутримышечные вливания растворов некоторых солей магния снимают спазмы и судороги. Накопить в организме необходимый запас этих солей помогают фрукты и овощи (особенно богаты магнием абрикосы, персики и цветная капуста). В Азии, например, где пищевой рацион богаче магнием, атеросклероз и другие сердечные заболевания встречаются реже, чем в Европе или США. Английские врачи рекомендуют съедать ежедневно по четыре банана, чтобы покрывать примерно половину суточной потребности организма в магнии (она составляет 0,3–0,5 грамма).

Опыты, проведенные венгерскими учеными на животных, подтвердили, что недостаток магния в организме повышает предрасположенность к инфарктам. Одним собакам давали пищу, богатую солями этого элемента, другим — бедную. В конце эксперимента животные, в рационе которых было мало магния, "заработали" инфаркт миокарда.

У нервных, легко возбудимых людей нарушения работы сердечных мышц наблюдаются значительно чаще, чем у спокойных. Это объясняется тем, что в момент раздражения магний, содержащийся в организме, "сгорает".

Французские биологи считают, что этот элемент поможет медикам и в борьбе с таким серьезным недугом XX века, как переутомление. Исследования показали, что в крови уставших людей содержится меньше магния, чем у людей полных сил, а даже самые ничтожные отклонения "магниевой кривой" от нормы не проходят бесследно.

Биологи Франции установили любопытное влияние ряда элементов на пол потомства. Оказывается, избыток калия в пище матери приводит к тому, что у нее рождается потомство преимущественно мужского пола. Если же ее пища насыщена кальцием и магнием, то в потомстве преобладает женский пол. Возможно, уже вскоре для будущих матерей врачи разработают специальные меню, гарантирующие рождение мальчика или девочки "по заказу". Но прежде нужно будет уточнить, распространяется ли подмеченное влияние этих элементов на человека: ведь описанные наблюдения относятся к… коровам.

Область применения магниевых соединений не исчерпывается медициной. Так, оксид магния используют в резиновой промышленности, в производстве цементов, огнеупорного кирпича. Одна из канадских фирм разработала технологию получения нового огнеупорного материала, стойкого к воздействию шлаков, обладающего высокой прочностью и малой пористостью; основным компонентом этого огнеупора служит оксид магния высокой чистоты.

Как известно, обычные радиолампы начинают нормально работать лишь после того, как они нагреваются. Каждый раз, когда вы включаете радиоприемник или телевизор, приходится некоторое время ждать, прежде чем польются звуки музыки или замерцает голубой, экран. Чтобы устранить этот недостаток радиоламп, польские ученые предложили покрывать катоды оксидом магния: новые лампы приступают к работе тотчас же после включения.

Еще в 1867 году француз Сорель смешал прокаленный оксид магния с концентрированным раствором его хлорида и получил так называемый магнезиальный цемент (или цемент Сореля). В наши дни с помощью этого вяжущего вещества изготовляют легкие, огнестойкие, звуконепроницаемые строительные материалы: фибролит — из древесных стружек и ксилолит — из опилок. Пероксид магния служит для отбелки тканей, сульфат этого элемента используют в текстильной и бумажной промышленности как протраву при крашении, а его карбид находит применение в производстве теплоизолирующих материалов.

И, наконец, еще— одно обширное пола деятельности магния — органическая химия. В порошкообразном виде магний используют для обезвоживания таких важных органических веществ, как спирт и анилин. Велико значение и магнийорганических соединений (в них атом магния непосредственно связан с атомом углерода). Эти вещества, в частности алкилмагнийгалогениды (реактив Гриньяра), в состав которых входят и галогены (хлор, бром или иод), широко применяют в химии. Насколько важна роль этих соединений, можно судить хотя бы по тому, что в 1912 году французский химик Гриньяр за создание алкилмагнийгалогенидов и разработку синтеза органических соединений был удостоен Нобелевской премии. Спустя много лет он писал: "Подобно хорошо настроенной скрипке, магнийорганические соединения под опытными, пальцами могут дать звучание все новым неожиданным и более гармоничным аккордам".

…Итак, деятельность магния в природе и народном хозяйстве весьма многогранна. Но, вероятно, рано еще говорить об атом элементе: "Все, что мог, он уже совершил". Известный советский металлург академик А.Ф. Белов предвидит широкое использование магния как конструкционного материала: "К 2000 году, — полагает ученый, — обязательно будет найдена защита магния от коррозии, и он войдет в число основных металлов".

Магниевые сплавы уже побывали на Луне, где они в виде некоторых деталей бурового автомата станции "Луна-24" участвовали в добыче лунного грунта. К грунтозаборному роботу предъявлялись жесткие требования. Во-первых, этот механизм должен быть легким: ведь при таком длительном путешествии для каждого лишнего килограмма дополнительно понадобилось бы большое количество горючего. Во-вторых, детали робота просто обязаны быть, прочными: нет смысла посылать их в столь ответственную командировку, если нет уверенности, что они не подведут в трудную минуту. А ведь рабочие минуты на Луне могли оказаться действительно чрезвычайно трудными.

Конструкторы бурового грунтозаборного автомата решили применить легкие, но в то же время прочные титановые и магниевые сплавы. Прежде чем отправить их в полет, ученые устроили грунтозаборному устройству суровые испытания на Земле. Оно было проверено при бурении разнообразных, в том числе и весьма твердых горных пород, причем экзамен проходил сначала в обычных климатических условиях, а затем в большой барокамере — в глубоком вакууме при высоких и низких температурах, имитирующих условия Луны, где дневной "зной" (до +110 °C) сменяется ночной "прохладой" (до —120 °C). Испытания прошли успешно, а вскоре столь же успешно завершился и полет автоматической станции: лунный грунт был доставлен на Землю.