Если тантал начал входить в технику довольно давно (именно из тантала делали спирали электролампочек, пока его не вытеснил более дешевый вольфрам), то ниобий долгое время считали лишь вредной примесью к танталу. Получался парадокс, один из тех, которыми так богата история техники: ниобий более распространен, чем тантал, а добывали его намного меньше. Большие количества ниобия выбрасывали в отвал при добыче не только тантала, но и олова. Так были созданы руками людей настоящие залежи ниобиевых руд, которые впоследствии стали перерабатывать.
Ниобий привлек внимание лишь лет 20 назад, когда выяснилось облагораживающее влияние небольших добавок его на стали. И если в 1936 году во всем мире было всего 30 килограммов металла, то производство 1943 года достигло 1100 тонн и неуклонно растет. Подобно цирконию, для получения ниобия и тантала можно восстанавливать натрием их комплексные соли.
Можно идти и по пути, проложенному алюминием: подвергать электролизу смесь K2TaF7 и Та2O5.
Нужно сказать, что, подобно титану и цирконию, ниобий и тантал сильно поглощают газы при нагревании. Все эти элементы используют в качестве геттеров, нанося их на детали радиоламп. При откачивании таких ламп вакуум-насосами в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Геттеры, поглощая эти газы, обеспечивают в лампах очень высокий вакуум. Так, тантал при 800 градусах способен поглотить 740 объемов газов!
Из-за этого свойства и из-за большой тугоплавкости обработку этих металлов ведут методами порошковой металлургии: порошок их прессуют и спекают в вакууме ниже температуры плавления, проковывают, затем снова спекают и подвергают холодной обработке.
Что же определяет ценность наших металлов в технике? Если сказать коротко — уникальность свойств ниобия и тантала, особенно последнего.
Мы не имеем возможности даже коротко рассказать обо всех многообразных применениях ниобия и тантала и их соединений (это касается, конечно, и других металлов, о которых шла речь). Поэтому отметим свойства, по которым наши металлы не имеют себе равных.
Наверно, вам уже прожужжало все уши слово «коррозия». Но не случайно мы упоминали о ней, говоря почти о каждом металле, потому что борьба с коррозией — одна из важнейших проблем техники.
Металлы по их стойкости к коррозии приблизительно располагаются так:
Подъем на каждую следующую ступеньку означает огромную победу техники. И на вершине этой лесенки по праву стоит тантал. Судите сами: он не боится хлора, не растворяется в кислотах, включая «царскую водку», как известно, потому и названную так, что против нее не может устоять даже «царь металлов» — золото.
Тантал выдерживает чудовищные испытания: при 200 градусах в 70-процентной азотной кислоте он не корродирует вовсе, а в серной кислоте — только на 0,4 миллиметра в год. Совсем не действуют на него соляная и фосфорная кислоты и другие агрессивные вещества.
Не удивительно, что за последние 20 лет использование тантала в химическом машиностроении выросло в 13 раз. На заводах по производству соляной кислоты аппаратура из тантала работает без ремонта больше 20 лет.
Ниобий менее устойчив, однако для некоторых целей он даже более пригоден, чем тантал. Очень интересно, что при использовании ниобия для изготовления аппаратуры и трубопроводов в производстве соляной кислоты он не просто устойчив и потому хорош: он катализирует реакцию, так что выход соляной кислоты при прохождении через систему увеличивается.
У тантала есть еще одна уникальная специальность — медицинская. Он прекрасно «уживается» с живыми тканями, поэтому пластинки из тантала применяются взамен поврежденных костей черепа, для скрепления костей при переломах. В нашей стране созданы приборы для автоматического сшивания кровеносных сосудов. Они могут работать лишь благодаря использованию танталовых скрепок. Тонкими танталовыми нитями можно сшивать даже сухожилия и нервы…
Конечно, все новые металлы пока еще очень дорогие. Поэтому их приходится «разбавлять» обычными, более дешевыми.
Вместе с никелем, кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, бором, алюминием новые металлы дают прекрасные сплавы с широким выбором свойств.
Мы начали свой разговор с того, что стали искать замену железу. Нужна ли такая замена? Теперь мы можем ответить на этот вопрос. Да, иногда такая замена не только необходима, но и возможна. И каждый металл, каждый сплав, каждый новый материал может и должен найти себе применение. Будущее принадлежит разумному сочетанию всех материалов.
Удивительное семейство
Найдем в периодической системе элемент лантан. Он расположен в шестом периоде, третьей группе и имеет порядковый номер 57.
Читатель уже привык к тому, что каждому элементу соответствует лишь одна определенная клетка таблицы Менделеева. Однако теперь мы сталкиваемся с необычным явлением: в одной-единственной клетке лантана разместилось еще четырнадцать элементов — от церия с порядковым номером 58 до лютеция с порядковым номером 71.
Почему же церий нельзя поместить в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее? Тогда у каждого элемента будет своя клетка.
Мысль эта не оригинальна. Дмитрий Иванович Менделеев пытался идти этим путем, но вскоре убедился, что подобный способ размещения противоречит закону периодичности. Допустим, церий еще можно расположить в четвертой группе — ведь он в некоторых соединениях проявляет валентность, равную четырем, и кое в чем похож на цирконий. Но последующие элементы совсем не напоминают ниобий, молибден и т. д.
Для всех заключенных в клетке лантана элементов валентность 3+ является основной. Следовательно, расположить их один за другим — значит нарушить периодичность изменения свойств по группам таблицы Менделеева.
Поистине удивительное семейство элементов поселилось в клетке лантана. Понятие «семейство» химики в отличие от ботаников не любят употреблять. Но для характеристики элементов, о которых пойдет речь, это название как нельзя более удобно. Они действительно представляют собой неразлучную и дружную семью. В природе они встречаются в одних и тех же минералах и рудах, все они — металлы, обладают удивительно сходными химическими свойствами и даже на практике, как правило, используются совместно — в качестве смеси, а не индивидуальных представителей. Другой подобной картины не встретишь нигде на всем протяжении периодической таблицы.
Ученым потребовалось много десятилетий, чтобы объяснить поразительную близость свойств этих металлов.
Теперь элементы от церия до лютеция называют лантаноидами, то есть лантаноподобными. В учебниках их рассматривают вместе с лантаном. Другое имя пятнадцати близнецов — редкоземельные элементы. Оно происходит от старинного названия «редкие земли». «Землями» ученые прошлого именовали некоторые окислы, например окиси кальция, магния и бария. Редкоземельные элементы долгое время были известны в виде окислов — «земель». А так как считали, что содержащие их минералы в природе распространены очень мало, «землям» прибавили эпитет «редкие».
Итак, редкие земли. Они ставили перед учеными массу головоломных задач. Их история, пожалуй, наиболее сложная и запутанная во всей неорганической химии.
В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус, увлекавшийся минералогией, обнаружил в заброшенном карьере близ городка Иттерби неизвестный черный минерал. Спустя семь лет образчик находки попал в руки известного финского химика Иоанна Гадолина. Ученый установил, что в образце наряду с окислами бериллия, кремния и железа содержится около 38 процентов окиси неизвестного элемента, «новой земли». Он дал ей название «иттриевой». В 1803 году великий шведский химик Берцелиус в другом минерале нашел вторую редкую землю — «цериевую».
Два новых представителя — иттрий и церий — дополнили список элементов. Долгое время они не вызывали особого интереса — вплоть до 1839 года, когда ученик Берцелиуса Мозандер начал обширные исследования этих земель.
И тут обнаруживаются удивительные вещи. Оказывается, церий и иттрий, которые считались простыми телами, являются смесью нескольких элементов. Мозандер разделяет церий на лантан и дидим, иттрий — на тербий и эрбий. Все они похожи друг на друга как две капли воды. История открытия элементов еще не знала подобного случая, и ученые насторожились: нет ли здесь ошибки?
Но ответить на вопрос оказалось непросто. Химики не располагали достаточно точными методами контроля за чистотой выделяемых земель. Никто из исследователей не мог с уверенностью утверждать, что полученная им редкая земля на самом деле не содержит примесей. Сомнение прочно овладело умами, и разрешиться ему было суждено лишь после того, как Бунзен и Кирхгоф разработали основы и технику спектрального анализа.
«Каждый химический элемент имеет свой, присущий только ему спектр» — это правило, казалось, устраняло все неприятности. Открытия Мозандера получили весомое подтверждение. Все шесть редких земель завоевали права гражданства.
Но вот наступает 1869 год. Менделеев формулирует периодический закон и строит свою «естественную систему элементов». Далеко не все гладко в этой системе, и, в частности, совсем неясно, что делать с элементами редких земель.
Еще со времен Берцелиуса они считаются двухвалентными, и формулу их окислов записывают как MeO; лишь для церия, имеющего высшую степень окисления, допускается существование окиси Ce3O4. Но во второй группе таблицы Менделеева нет ни одного свободного места. Рельефно вырисовываются очертания главного «подводного камня» периодической системы. Стремительный поток противоречий грозит разбить об него саму идею периодичности изменения химических свойств элементов в зависимости от атомного веса.
Однако Менделеев, уверенный в правильности своего открытия, выдвигает смелую гипотезу: редкие земли трехвалентны, а церий сверх того имеет валентность, равную четырем. Это предположение