Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 41)
В 1922 году Дирк Костер и Дьердь Хевеши решили проверить идею Бора и поискать новый элемент в циркониевых рудах (впоследствии нобелевский лауреат Хевеши стал известен ещё и тем, что в 1940 году растворил золотые нобелевские медали немецких физиков Макса фон Лауэ и Джеймса Франка в царской водке, чтобы спрятать их от входивших в столицу Дании немецких войск). Через несколько недель, обнаружив в рентгеновском спектре циркониевой руды линии, предсказанные Мозли для элемента с порядковым номером 72, они выделили его, доказав его сходство с цирконием, подтвердив выкладки Бора и, тем самым, окончательно закрепив теоретические выкладки, и поныне лежащие в основе Периодического закона. Открытие гафния заполнило одну из шести пустых клеток, оставшихся на тот момент в Периодической системе, гафний также стал предпоследним стабильным элементом, обнаруженным в земной коре; последним стал открытый в 1925 году рений.
Гафний нельзя назвать экзотическим для земной коры – при его атомном номере 5,8 грамма гафния на тонну верхнего слоя земной коры – это не так уж и мало. Трудности с его обнаружением были связаны с тем, что гафний не образует своих собственных минералов и руд, сопутствует цирконию, характеризуясь при этом практически таким же атомным и ионным радиусом, что и цирконий, что, естественно, затрудняет его отделение от «металла-хозяина». В наши дни проблема разделения смесей гафний–цирконий решена благодаря методам экстракции и позволяет ежегодно добывать около 70 тонн гафния. Хотя этот элемент и недёшев, затраты на его добычу и извлечение окупаются его уникальными свойствами.
Металлический гафний проявляет исключительную стойкость к коррозии. Более того, гафний легко захватывает нейтроны, что делает его идеальным материалом для изготовления замедляющих стержней ядерных реакторов, в особенности реакторов, работающих в жёстких условиях, подобно наиболее распространённым в атомной энергетике водо-водяным ядерным реакторам.
При сплавлении с металлами гафний даёт суперсплавы, которые способны противостоять высоким температурам, это их свойство эксплуатируется в космической отрасли – из таких суперсплавов делают детали ракет и спускаемых аппаратов. Карбид гафния (HfC) – рекордсмен среди бинарных (состоящих из двух химических элементов) веществ по температуре плавления, она составляет 3890 °C. Смешанный карбид гафния–вольфрама плавится при 4125 °C. Для сравнения: температура плавления металлического вольфрама, считающегося «эталоном» тугоплавкости, – 3422 °C.
73. Тантал
Благодаря танталу мы получили возможность носить мобильные телефоны и смартфоны в карманах джинсов или внутренних карманах пиджаков (или терять их, забывая в неподходящих местах) – благодаря этому элементу мобильные телефоны прошли эволюцию от «кирпичей» 1990-х до современной ультратонкой техники.
Смесь порошкообразных тантала и его оксида применяется в аккумуляторах, которые запасают электрический ток не только для смартфонов, но и игровых консолей, ноутбуков, планшетов и цифровых камер. Те свойства тантала, которые помогли ему внести свой вклад в миниатюризацию электроники, – высокие электро– и теплопроводность металла, а также его прочность, благодаря чему изделия из тантала небольшого размера не разрушаются при давлении. Бум производства мобильной электроники увеличил спрос на тантал, и, возможно, сейчас интерес к танталу гораздо больше, чем тогда, когда он был открыт.
Тантал был открыт шведским химиком Андерсом Экербергом в 1802 году, который, по одной версии, устав при получении нового элемента, по другой – наоборот, после бесплодных попыток растворить его в кислоте, назвал его Танталом в честь героя греческой мифологии царя Тантала, возгордившегося своим равенством с богами (олимпийцы действительно приглашали его на обеды) и наказанного посмертно «танталовыми муками» – невозможностью испить воды, в которой он стоит, и утолить голод висящими рядом плодами. Вскоре после открытия тантал начали отождествлять с другим элементом, извлечённым из минерала колумбита, и только к 1844 году стало ясно, что в колумбите содержатся два элемента – тантал и ниобий, о котором уже шла речь выше.
Тантал – металл с серо-синеватым оттенком, который с помощью полировки можно довести до серебряного блеска. Тантал твёрд и в то же время пластичен – его пластичность уступает разве что пластичности золота. Из сплавов тантала делают детали, работающие при высоких температурах, для двигателей реактивных самолетов и ядерных реакторов. Температура плавления тантала – 3010 °С, более высоко плавятся только рений и вольфрам. Химическая инертность тантала позволяет делать из него хирургические инструменты и кардиостимуляторы, которые не будут ни коррозировать под воздействием биологических жидкостей, ни раздражать находящиеся с ним в контакте живые ткани.
Одно из перспективных применений тантала – протезирование суставов. Для этого на шаблон протезируемого сустава из пористого углерода наносят слой металла толщиной около 50 микрометров, в результате чего получается жёсткий материал, структура которого подобна костной структуре, – это нужно, чтобы протез сустава, собственные кости пациента и его мягкие ткани могли бы сформировать единую систему, не уступающую по свойствам здоровому суставу.
Тантал не слишком распространён, это 50-й по содержанию элемент земной коры. В сотовом телефоне содержится около 40 миллиграммов тантала, но, учитывая скорость производства гаджетов наряду с тем, что есть люди, считающие своим долгом стать владельцем новой модели смартфона сразу после её выхода, а не после того как перестает работать старая, востребованность в тантале велика. За последнее время в год человечество использует около 2500 тонн тантала, 2/3 из которых идет на производство электронных устройств.
Исторически наиболее значительным источником тантала была Австралия, на австралийском месторождении Гринбушес добывается до 30% танталового концентрата. Залежи тантала (точнее руды, содержащей одновременно ниобий и тантал, – колумбит-танталит или «колтан») также находятся в Демократической Республике Конго, и протекавшая в период 1998–2002 годов Великая Африканская война (Вторая Конголезская война), которая отчасти разразилась из-за попыток различных политических сил, участвовавших в войне, контролировать шахты со стратегическим сырьем – колтаном. А ведь почти полторы сотни лет после открытия, до 1950-х годов, ни у кого не было ни малейшего представления о том, зачем и кому сможет потребоваться этот металл.
74. Вольфрам
Вольфам, как и никель с кобальтом, получил своё название из-за рассерженных рудокопов, которым когда-то давно он мешал заниматься выработкой ценных в те времена горных пород.
Своё название элемент получил от известного ещё в 1500-е годы минерала вольфрамита, латинское название которого было
Вероятно, что из-за дурной славы руды вольфрамита никто из химиков не хотел брать на себя приоритет в открытии нового металла. В 1781 году шведский химик Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал, названный в 1824 году шеелитом (это вольфрамат кальция, CaWO4), получил триоксид вольфрама (WO3), но металлический вольфрам не получил. В 1783 году испанские химики братья Хосе и Фаусто Элюары сообщили о получении из вольфрамита как оксида нового металла, так и самого металла. За два года до этого, в 1781 году, Фаусто был в Швеции и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюары не настаивали на своём приоритете, хотя благодаря выделению металла именно они считаются первооткрывателями.
Несмотря на то что название нового элемента появилось благодаря не самым приятным для ранних металлургических процессов эпизодам, да и сам металл долгое время считался эдаким (если припоминать немецкие корни) кунштюком, вольфраму все же удалось стать стратегическим материалом – в первую очередь после того, как Александр Николаевич Лодыгин предложил использовать в качестве долговечных нитей накаливания ламп вольфрамовые спирали. Вольфрам наряду с ниобием, молибденом, танталом и рением образует пятёрку тугоплавких металлов. Температура плавления у этих металлов выше 2000°C, они относительно инертны химически. Высокая температура плавления этих металлов стала причиной того, что детали из них изготавливают с помощью порошковой металлургии, а не литьём расплавленного металла в формы.
Сейчас, когда лампы накаливания медленно, но неуклонно замещаются энергосберегающими газоразрядными и светодиодными осветительными элементами, вольфрам не теряет своего значения – его твёрдость, тугоплавкость и химическая стойкость делают его незаменимым для нагревательных элементов и электродов. Вольфрам входит в состав быстрорежущей стали и «суперсплавов», применяемых для изготовления защитных покрытий. Из-за высокой плотности вольфрама он входит в состав балластов для летательных аппаратов и гоночных болидов «Формулы 1», а также бронебойных поражающих элементов в артиллерийских и реактивных снарядах.