Страница:
Титан несколько раз открывали: ему приходилось менять "имя" и. наконец, его достоинства долго и обидно принижались. Титанами, как известно, называли сыновей богини Земли Геи, сильных и выносливых юношей. Так что зваться титаном - значит быть ПОЧТРТ сверхпрочным.
А вот этим качеством как раз металл, открытый сначала английским любителем - минералогом Вильямом Грегором (назвавшего свое открытие "меннакипом") и вторично немецким химиком Мартином Клопротом (давшим своему "крестнику" звучное имя "титан") как раз и не отличался. Правда, сам титан, как оказалось, в том был неповинен: оба его первооткрывателя получили лишь белый кристаллический порошок двуокиси титана; чистого металла ни тому, ни другому выделить не удалось. Ошибся и английский ученый Волластон (XIX в.), принявший за чистый титан его соединение с золотом и углеродом.
Честь получения чистого без всяких примесей титана принадлежит (1875 г.) русскому ученому Д. К. Кириллову. "Исследования над титаном" - так была названа его брошюра, в которой рассказывалось о результатах проделанной работы. Так что получивший в 1919 году сравнительно чистый титан американский химик Хантер - отнюдь не первооткрыватель этого металла.
Но почему химики многих стран столь упорно работали над получением металла без дополнительных примесей? Чем последние им так не угодили? Дело в том.
что пменно примеси делают титан хрупким, неподдающимся механической обработке. И до того, как доброе имя чистого титана было восстановлено, ему приходилось выполнять работу второстепенную, не соотве!ствующую истинным его возможностям. Из него приготовляли белила, с помощью двуокиси титана окрашивали ткани я кожи, использовали в производстве фарфора, стекла, искусственных бриллиантов.
Совершенно иную жизнь даровали в 1925 году титану голландские ученые Ван Аркель и де Бур, освободившие металлы от примесей. Теперь его можно было ковать, прокатывать из него проволоку, фольгу, листы.
Что же сегодня нам известно о титане?
Он прочнее стали многих марок, но гораздо легче (почти вдвое) железа. Титан в 12 раз превосходит по твердости алюминий и в 4 раза медь и железо.
Есть у титана и другие достоинства: он обладает высокой коррозийной стойкостью, ему не страшна никакая химическая среда: ни серная, ни азотная кислоты, ни пары хлора. Титан способен облагораживать, придавать заданные свойства самым различным сплавам и маркам стали. Он обладает большим электросопротивлением и совершенно немагнитен.
Популярен титан и в медицине. Во-первых, потому что абсолютно инертен и не может нанести вреда гомеостазу (внутренней среде) организма. А, во-вторых, на хирургический инструмент, изготовленный из титана, всегда можно положиться: он надежен, остер и минимально травматичен.
Так почему же при всех его достоинствах титан не столь широко применяется в различных отраслях народного хозяйства, как того бы хотелось? Может быть, это редкий металл? Ничего подобного. Его запасы в недрах многократно превышают содержание в них меди, хрома, ртути, вольфрама, серебра, золота, цинка, свинца, висмута, никеля, сурьмы, олова, молибдена и платиновых элементов, вместе взятых. Все дело пока что в дороговизне производства чистого титана. Экономический способ получения металла - дело химии.
"Новые" достоинства открыло материаловедение и в семействе драгоценных металлов. В золоте, например, техника наших дней больше всего ценит его удивительную химическую стойкость. Ни кислоты, ни щелочи ему не страшны. Оно растворяется только в смеси азотной и соляной кислот, так называемой "царской водке". Как известно, именно в ней растворил свою нобелевскую медаль Нильс Бор, покидая Копенгаген во время второй мировой войны. После освобождения Дании от фашистов ученый выделил золото из раствора, колба с которым была им спрятана, и из него вновь отлили нобелевскую медаль. Сегодня в производствах, где требуется особая стойкость к воздействию химических веществ, и применяется золото. Из сплава золота и платины делаются детали оборудования, с помощью которого получают синтетические волокна, сверхстойкие к любым химическим средам. Технически чистое золото используется в вакуумной технике, при производстве транзисторов. Золото служит нуждам ядерной физики - из него изготавливают кольца и шайбы для наиболее ответственных узлов ускорителей заряженных частиц, золото широко используется уже сегодня в космическом материаловедении - золотое покрытие обеспечивает надежное терморегулирование. Все большее применение находит благородный металл в океанологии.
И все же серебро, известный конкурент золота, сегодня, пожалуй, отняло у него пальму первенства. Ибо современная электронная, космическая, авиационная и прочая техника не может обходиться без серебра - идеального проводника электричества.
Но истинную метаморфозу пережил в наши дни алюминий, о котором еще в начале столетия самые авторитетные европейские газеты с иронией писали: "Что же можно ожидать от металла, который разрушается слабыми кислотами и щелочами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную поверхность алюминия или уничтожающая его массу..."
Где только сегодня не используют алюминий! Для строительства кораблей и подводных лодок, в электротехнике (обмотка моторов, конденсаторы, цоколи ламп и т. д.), транспортном строительстве, при создании космических кораблей и аппаратуры, в пищевой промышленности (алюминий не разрушает витаминов, содержащихся в продуктах). Он легок, коррозионно стоек.
Именно алюминий первым вошел в семейство композиционных материалов, порожденных научно-технической революцией. Но самые широкие возможности этот удивительный металл дарит, вероятно, все-таки авиации, космонавтике и строительству. Последнему потому, что открывает возможность облегчить строительную конструкцию, не увеличив при этом стоимость возводимого здания. Кремлевский Дворец съездов - одно из первых общественных зданий, построенных из этого чудо-металла.
К тому же здания, возведенные из алюминия, полностью отвечают современным требованиям. Таков, например, Дворец спорта "Крылья Советов", возвышающийся на западе столицы. Его главная арена может служить 12 различным видам спорта. Конечно, при строительстве дворца использовались самые современные материалы. И сталь, и стекло, и пластики, но основным был все же алюминий. Кроме навесных стеновых панелей, впервые в мировой практике здесь применены алюминиевые перекрытия. Они в десять раз легче стальных и потому могут монтироваться с помощью обычного автомобильного крана. Строительство в какой-то мере экспериментальное, но уже сейчас несомненное преимущество алюминия перед всеми иными - налицо.
А как нужны облегченные конструкции в отдаленных районах, в условиях бездорожья и гористой местности!
Впрочем, алюминий очень податлив и к обработке. Он легко режется, штампуется. Но главное его достоинство в том, что запасы минералов, содержащих алюминий, в земной коре очень велики.
Способы получения этого металла постоянно совершенствуются. Появляются новые приемы его экономии, вторичного использования. Металл вполне такого отношения достоин. А наука ищет кардинально новые пути увеличения алюминиевых ресурсов. Это прежде всего использование нефелиновых отходов, образующихся при производстве апатитового концентрата - сырья для производства фосфорных минеральных удобрений.
Нефелин (алюмосиликат натрия и калия) - один из распространеннейших алюминийсодержащих минералов.
Одно из самых богатых апатито-нефелиновых месторождений пашей страны открыто на Кольском полуострове еще в 20-х годах академиком А. Е. Ферсманом. Ныне общая добыча сырой руды этого месторождения составляет около 50 миллионов тонн в год. Из нее извлекается апатитовый концентрат, а остальная масса, так называемые "хвосты", идет в отвалы "хвостохранилище". В них лежит бесполезным грузом более 500 миллионов тонн ценнейшего сырья, на две трети состоящего из нефелина и на одну треть - из примесей других минералов, представляющих для народного хозяйства самостоятельную ценность. В том числе сфен и титаномагнетит - содержащие двуокись титана. Белила, сделанные на ее основе, белизной превосходят цинковые.
Нефелин сравнительно легко отделяется от примесей обычными, широко известными методами обогащения.
А метод переработки нефелина путем спекания его с известняком уже давно разработан советскими учеными и инженерами. При этом кремнезем связывается в нерастворимый двухкальциевый силикат, а глинозем образует хорошо растворимые в воде алюминаты натрия и калия.
После выщелачивания, отделения шлама и очистки от остатков кремнезема алюминиевые растворы обрабатываются углекислым газом. В результате из них образуются легкорастворимые карбонаты натрия и калия, а гидроокись алюминия выпадает в осадок, который путем кальцинации (прокаливания) превращает в товарный глинозем - главное алюминиевое сырье.
Процесс, как очевидно и неспециалисту, прост и относительно недорог. При этом все, как говорится, идет в дело, ничего не пропадает. Судите сами: спек силиката кальция перерабатывается на портландцемент, который просто необходим строительной индустрии;* содопоташные растворы, освобожденные от гидроокиси алюминия, выпаривают, разделяют и получают товарную соду и поташ.
На каждую тонну глинозема, произведенного этим способом, получается еще и 0,8 тонны кальцинированной соды, 0,35 тонны поташа, 7-8 тонн портландцемента, несколько десятков граммов галлия. Последний необходим для производства арсенида галлия - ценного материала электронной техники. Его применение открывает возможности значительного повышения быстродействия ЭВМ.
В свое время группе ученых и инженеров (во главе с бывшим директором Волховского алюминиевого завода И. Л. Талмудом) за разработку метода комплексного использования нефелиновых отходов и его реализацию была присуждена Ленинская премия. Да и практика показала высокую экономическую эффективность переработки нефелинового концентрата на глинозем, кальцинированную соду, поташ и цемент. Себестоимость глинозема, полученного таким образом, более чем на 60 процентов ниже среднеотраслевой, соды - на 40, цемента - на 9. Казалось бы, все ясно внедряй в производство и как можно быстрее, тем более что решения о строительстве необходимых установок при существующих цементных заводах были приняты своевременно.
Однако с места дело так и не сдвинулось. Отвалы нефелиновых "хвостов" продолжают расти, пылят, наносят серьезный ущерб окружающей среде. Вот уж поистине - богатства пускаются по ветру в буквальном смысле слова. Между тем, если вовлечь в переработку отходы нефелина Кольского производственного объединения "Апатит", мы могли бы значительно увеличить производство алюминия, ставшего ныне одним из важнейших конструкционных материалов. Его применение могло бы значительно расшириться, обеспечив, в частности, строительство легких и простых в изготовлении хранилищ зерна и других сельскохозяйственных продуктов. А они необходимы для реализации Продовольственной программы.
Решение "нефелиновой" проблемы позволило бы решить и еще одну проблему - содовую. Потому что для производства глинозема используется много низкокачественных бокситов, при переработке которых нужна кальцинированная сода, значительное количество которой импортируется. Использование нефелина для произвол,-, ства глинозема дает возможность улучшить баланс и этого важнейшего продукта.
Большое значение имеет и получаемый при этом поташ - дефицитнейшее калийное удобрение, без которого не получишь хорошего урожая того же картофеля. Практикуемый же сейчас в картофелеводстве хлористый калий (из-за отсутствия поташа) отрицательно сказывается на способности клубней к хранению.
Что же мешает сегодня решить проблему рационального использования нефелина в полном объеме? Ведомственная разобщенность трех министерств: цветной металлургии, строительных материалов и химической промышленности.
Впрочем, справедливости ради надо сказать, что Министерство химической промышленности свою часть проблемы (создание мощностей по получению обогащенного нефелинового концентрата из "хвостов") выполнило, однако из-за отсутствия спроса на концентрат вынуждено было использовать эти мощности не по прямому назначению. А ведь экономические расчеты показывают, что от задержки широкого внедрения уже апробированного промышленностью метода переработки нефелинового сырья народное хозяйство несет колоссальные убытки. И таких примеров нерадивого отношения к минеральному сырью - основе производства металлов - можно привести очень много. А они так нужны народному хозяйств*!
"Послужной список" необходимейших материалов земной цивилизации можно продолжать бесконечно. Причем, рядом с их достоинствами нередко соседствуют недостатки, и, как правило, серьезные. Взять, к примеру, тот же свинец. Свинцовый град, свинцовый ливень... Эти выражения всегда ассоциировались в нашем представлении с войной. Из свинца и сегодня льют пули. Что поделаешь?
Пока пуля еще весомый "аргумент" в современном мире, отказываться от нее рано.
Но свинец работает не только на военные нужды, и лишь алюминию, меди и цинку уступает он по объемам производства. Особенно много используется этого металла в автомобилестроении: около трети всей мировой добычи свинца идет на изготовление электроаккумуляторов.
Не обходится без него и самолетостроение, его используют химическая и электротехническая промышленность.
А поскольку свинец применяется и в топливной индустрии (тетраэтилсвинец - в качестве добавки к бензину), то его ядовитые пары выбрасываются вместе с выхлопными газами в атмосферу. Например, по подсчетам Калифорнийского технологического института, каждый год над норями и океанами нашей планеты выпадает около 50 тысяч тонн свинца, и половина его - свинцовая добавка к бензину. Отказаться бы от нее раз и навсегда!
Но ведь именно она делает работу автомобильного двигателя наиболее экономичной. Где же выход?
Искать и создавать новые материалы, способные заменить не всегда безвредный металл в самых разных производствах. Или использовать, ослабляя отрицательные его свойства.
Следующий пример - ртуть. Она применяется в качестве катода для электролизеров при производстве едкой щелочи. Ртутные вентили, используемые в выпрямителях переменного тока, отличаются особой надежностью в работе и долговечностью. Не забыты и печально знаменитые амальгамы - тончайшие золотые пленки, получаемые после того, как ртуть, в которой растворяют золото, испаряется. Но почему же печально?
Потому что пары ртути чрезвычайно ядовиты. Сегодня амальгамы используются в тех случаях, когда кеобходимо защитить тончайшей золотой пленкой металл, который она покрывает, от воздействия коррозии, бактерий, агрессивной среды.
Говоря о губительном воздействии ртути на человеческий (равно и на любой другой) организм, обычно приводят в качестве примера трагедию рабочих, наносивших позолоту на купол знаменитого Исаакиевского собора в Петербурге. Дело это было под стать богатырям. Предстояло покрыть медными листами, на которые методом амальгамирования нанесли более ста килограммов растворенного в ртути червонного золота. В итоге 60 рабочих погибло от отравления. Вот почему слово "амальгама" и ассоциируется до сих пор с человеческой трагедией.
Но потребность в ртути от этого нисколько не снижается. Многие физические измерительные приборы (в том числе и медицинские термометры) без ртути обойтись пока что не могут. Но гораздо шире ее используют при создании так называемых ртутных ламп, все настойчивее претендующих на звание основных приборов для освещения улиц. Такой опыт уже известен в стране.
А завершить этот необычный экскурс в историю открытий и использования металлов мне бы хотелось работой, к которой я имею сегодня непосредственное отношение.
Началась же она давным-давно. 140 лет назад профессор Казанского университета К. К. Клаус заинтересовался отходами платинового производства петербургского Монетного двора. Тогда платину выплавлять не умели, и монеты для широкого обращения изготавливали прессованием разогретого порошка. Как известно, именно этот метод лежит сейчас в основе перспективного направления переработки металлов - порошковой металлургии. Но в то время об этом еще не думали. Как и о том, что отходы этого производства послужат для еще одного важного открытия.
Исследуя отходы, К. К. Клаус обнаружил новый, неизвестный ранее элемент, который в честь России назвал рутением (от латинского названия нашей страны). Открытие было не из легких, поскольку все платиноиды (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина) очень близки по своим химическим и физическим свойствам, а потому работу К. К. Клауса вполне можно назвать научным подвигом, в котором ярко проявились выдающиеся знания, опыт, мастерство и интуиция ученого. Он подробно исследовал свойства рутения и сопутствующих ему родия, иридия, палладия.
Весть об открытии нового металла была встречена зарубежными учеными с некоторым недоверием. Но после повторных опытов крупнейший в то время химик Я. Берцелиус написал К. Клаусу: "Ваше имя будет неизгладимо начертано в истории химии".
Долгое время рутений и другие платиновые металлы не находили промышленного применения. После Великого Октября в 1918 году был создан Институт по изучению платины и других благородных металлов. Под руководством его первого директора выдающегося химика профессора Л. А. Чугаева были разработаны первые технологические процессы отечественного аффинажа (разделения) всех платиновых металлов. Уже в 20-х годах страна стала создавать свою платиновую промышленность.
Сейчас платиновые металлы добывают при переработке полиметаллических руд. Содержание в них платины и палладия исчисляется граммами на тонну, а других платиноидов - миллиграммами. Даже в крупномасштабном производстве балапс этих металлов ведется с точностью до граммов. Сегодня платиновые металлы не только активы национальных банков, но и важнейший технический материал. В ряде случаев они не могут быть заменены ничем другим.
Давно известна уникальная способность платиновых металлов резко ускорять химические реакции, лежащие в основе современного многотоннажного производства многих продуктов. Окислением аммиака на сплавах платины и родия получают азотную кислоту, необходимую для производства удобрений и многих других важных продуктов. Платина входит в состав катализаторов, используемых для получения высокооктановых бензинов, а также полупродуктов для производства красителей, фармацевтических препаратов, порохов, взрывчатых веществ, органического стекла и других полимерных материалов.
В последнее десятилетие резко возросло применение палладия в качестве катализатора.
Высокая коррозионная стойкость и тугоплавкость платиновых металлов и сплавов сделала их незаменимыми в различных реакторах для получения особо чистых веществ и материалов для радио- и электронной техники, изготовления фильер, в производстве стеклянного волокна и т. п. Нашел свое применение здесь и рутений, особенно при работе в агрессивных средах при повышенных температурах.
Использование палладия в качестве контактов в технике слабых токов (радио, телефон, телеграф) исключает образование помех. В технике сильных токов контакты из сплавов платиновых металлов обладают исключительно высокой надежностью. Словом, развитие научно-технического прогресса заставило столь широко использовать в технике платиновые металлы, что для традиционного ювелирного дела, например, остается их очень незначительная часть.
Но и на этом поприще уникальные возможности рутения раскрыты не в полной мере. Еще сказывается сложность его выделения из природного сырья, а также отделения от других платиновых металлов. Вот почему в нашей стране исследование соединений, образуемых рутением, всегда привлекало внимание специалистов.
В Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова (ИОНХ) АН СССР - одном из важнейших центров исследований по координационной химии в нашей стране, руководить которым я имею честь, - изучение свойств платиновых металлов, в том числе и рутения, проводится широким фронтом. Это вполне естественно, ибо ИОНХ - восприемник тематики и научных идей Института по изучению платины и других благородных металлов. Работы научных сотрудников института в области координационной химии платиновых металлов отмечены крупными достижениями. Но сейчас хотелось бы остановиться на исследовании окисных соединений рутения.
До середины 60-х годов соединения благородных металлов с кислородом были изучены слабо. Однако открытие в 1962 году немецким ученым X. Шефером и его сотрудниками металлического характера электропроводности у двуокиси рутения стимулировало интерес химиков к такого рода материалам, расширило возможности их практического использования.
Выяснилось, что окисные соединения рутения, родия, иридия, осмия и других платиновых металлов обладают уникальным сочетанием физических и химических свойств; инертностью по отношению к окислительным и восстановительным реагентам, термоустойчивостью, износостойкостью, широким диапазоном электрической проводимости в зависимости от своего состава. Эти удивительные качества позволили создать титановые электроды (аноды) с поверхностно инертным покрытием из окислов рутения. Они экономически более выгодны при производстве хлора и каустической соды электролизом, чем угольные.
В ИОНХ была открыта закономерность изменения электропроводности двойных окислов платиновых и неблагородных щелочных металлов и установлена ее связь с электронной конфигурацией иона соответствующего платинового металла. Стало ясно, что значение удельного электрического сопротивления таких двойных окислов может меняться в очень широких пределах - на 7-8 порядков. А это дает возможность выбора материала с нужными электрическими свойствами. Производство наиболее прогрессивных в электронной промышленности печатных микросхем не обходится без толстопленочных резисторов и проводящих паст, одним из важнейших компонентов которых стали окисные соединения рутения и других благородных металлов.
Рутений начинает активно работать в народном хозяйстве. Металл, открытый в нашей стране и названный о честь России, широко исследуется советскими химиками.
Дальнейшее изучение свойств платиноидов еще более расширит области применения этих ценнейших металлов.
В общем, потребности в этом и других металлах не снижаются, а возрастают. И все же... говоря о металлах как необходимейших материалах наших дней, перечисляя их многочисленные достоинства, проявляющиеся в разных областях науки и народного хозяйства, я пока лишь походя упомянул самое-самое, как говорится, их новое качество. Они все чаще становятся основой композиционных материалов, создание которых обязано актуальнейшим потребностям техники и науки. Им металлы и передают своп достоинства, свои качества, характеризуя которые люди испокон веков употребляли определение - "самый".
Мы вас ждем...
"...Что ни шаг. то встреча с полимерами. Выбежал в магазин за хлебом в руках полиэтиленовый пар;ет, сунул соску малышу - резина и пластмасса. А чем записать урок, лекцию, сделать домашнее задание? Конечно, пластмассовой шариковой ручкой. И если внимательно послютришь вокруг или хотя бы изучишь содержимое своего портфеля и сам портфель, то убедишься: без полимерных материалов сегодня - никуда. Или, может быть, недостаточно доказательств?
Сегодня многие хотят похудеть. И не только люди.
Избавляются от лишнего веса самолеты и автомашины, станки и приборы, радио- и телеприемники и пр.
И здесь основательно помогают полимеры. Загляните в автомобиль: отделка салона - полиуретаны, штурвал - этролы на основе ацетобутирата целлюлозы, лобовое стекло - безосколочный триплекс (многослойное силикатное стекло с промежуточным слоем из поливинилбутираля).
Не за горами и полностью полимерный автомобиль с керамическим двигателем, одним из создателей которого может быть кто-нибудь из нынешних юных химиков.
С самолетами сложнее - здесь к полимерным материалам требования жестче из-за большего перепада температур, больших механических нагрузок. Тем не менее нашлись полимерные материалы и для самолетостроения.
Например, полиимиды, сохраняющие свои физико-химические свойства в интервале от - 270 до + 300 градусов Цельсия. Полиимидные пенопласты отличная высокотемпературная звукоизоляции в реактивных двигателях.
Создана и электропроводящая пластмасса на основе полиацетилена и полиамида. В недалеком будущем познакомимся с ней поближе, когда на смену батареям центрального отопления придут тонкие ворсистые ковры-пластики, которые можно будет положить на пол или повесить на стену.
А как вы посмотрите на яблоко размером с голову человека и на виноград величиной со сливу? С удивлением и недоверием. Удивляться здесь надо искусству ученых и инженеров-полимерщиков, создавших биологически активные полимеры - стимуляторы роста.
А вот этим качеством как раз металл, открытый сначала английским любителем - минералогом Вильямом Грегором (назвавшего свое открытие "меннакипом") и вторично немецким химиком Мартином Клопротом (давшим своему "крестнику" звучное имя "титан") как раз и не отличался. Правда, сам титан, как оказалось, в том был неповинен: оба его первооткрывателя получили лишь белый кристаллический порошок двуокиси титана; чистого металла ни тому, ни другому выделить не удалось. Ошибся и английский ученый Волластон (XIX в.), принявший за чистый титан его соединение с золотом и углеродом.
Честь получения чистого без всяких примесей титана принадлежит (1875 г.) русскому ученому Д. К. Кириллову. "Исследования над титаном" - так была названа его брошюра, в которой рассказывалось о результатах проделанной работы. Так что получивший в 1919 году сравнительно чистый титан американский химик Хантер - отнюдь не первооткрыватель этого металла.
Но почему химики многих стран столь упорно работали над получением металла без дополнительных примесей? Чем последние им так не угодили? Дело в том.
что пменно примеси делают титан хрупким, неподдающимся механической обработке. И до того, как доброе имя чистого титана было восстановлено, ему приходилось выполнять работу второстепенную, не соотве!ствующую истинным его возможностям. Из него приготовляли белила, с помощью двуокиси титана окрашивали ткани я кожи, использовали в производстве фарфора, стекла, искусственных бриллиантов.
Совершенно иную жизнь даровали в 1925 году титану голландские ученые Ван Аркель и де Бур, освободившие металлы от примесей. Теперь его можно было ковать, прокатывать из него проволоку, фольгу, листы.
Что же сегодня нам известно о титане?
Он прочнее стали многих марок, но гораздо легче (почти вдвое) железа. Титан в 12 раз превосходит по твердости алюминий и в 4 раза медь и железо.
Есть у титана и другие достоинства: он обладает высокой коррозийной стойкостью, ему не страшна никакая химическая среда: ни серная, ни азотная кислоты, ни пары хлора. Титан способен облагораживать, придавать заданные свойства самым различным сплавам и маркам стали. Он обладает большим электросопротивлением и совершенно немагнитен.
Популярен титан и в медицине. Во-первых, потому что абсолютно инертен и не может нанести вреда гомеостазу (внутренней среде) организма. А, во-вторых, на хирургический инструмент, изготовленный из титана, всегда можно положиться: он надежен, остер и минимально травматичен.
Так почему же при всех его достоинствах титан не столь широко применяется в различных отраслях народного хозяйства, как того бы хотелось? Может быть, это редкий металл? Ничего подобного. Его запасы в недрах многократно превышают содержание в них меди, хрома, ртути, вольфрама, серебра, золота, цинка, свинца, висмута, никеля, сурьмы, олова, молибдена и платиновых элементов, вместе взятых. Все дело пока что в дороговизне производства чистого титана. Экономический способ получения металла - дело химии.
"Новые" достоинства открыло материаловедение и в семействе драгоценных металлов. В золоте, например, техника наших дней больше всего ценит его удивительную химическую стойкость. Ни кислоты, ни щелочи ему не страшны. Оно растворяется только в смеси азотной и соляной кислот, так называемой "царской водке". Как известно, именно в ней растворил свою нобелевскую медаль Нильс Бор, покидая Копенгаген во время второй мировой войны. После освобождения Дании от фашистов ученый выделил золото из раствора, колба с которым была им спрятана, и из него вновь отлили нобелевскую медаль. Сегодня в производствах, где требуется особая стойкость к воздействию химических веществ, и применяется золото. Из сплава золота и платины делаются детали оборудования, с помощью которого получают синтетические волокна, сверхстойкие к любым химическим средам. Технически чистое золото используется в вакуумной технике, при производстве транзисторов. Золото служит нуждам ядерной физики - из него изготавливают кольца и шайбы для наиболее ответственных узлов ускорителей заряженных частиц, золото широко используется уже сегодня в космическом материаловедении - золотое покрытие обеспечивает надежное терморегулирование. Все большее применение находит благородный металл в океанологии.
И все же серебро, известный конкурент золота, сегодня, пожалуй, отняло у него пальму первенства. Ибо современная электронная, космическая, авиационная и прочая техника не может обходиться без серебра - идеального проводника электричества.
Но истинную метаморфозу пережил в наши дни алюминий, о котором еще в начале столетия самые авторитетные европейские газеты с иронией писали: "Что же можно ожидать от металла, который разрушается слабыми кислотами и щелочами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную поверхность алюминия или уничтожающая его массу..."
Где только сегодня не используют алюминий! Для строительства кораблей и подводных лодок, в электротехнике (обмотка моторов, конденсаторы, цоколи ламп и т. д.), транспортном строительстве, при создании космических кораблей и аппаратуры, в пищевой промышленности (алюминий не разрушает витаминов, содержащихся в продуктах). Он легок, коррозионно стоек.
Именно алюминий первым вошел в семейство композиционных материалов, порожденных научно-технической революцией. Но самые широкие возможности этот удивительный металл дарит, вероятно, все-таки авиации, космонавтике и строительству. Последнему потому, что открывает возможность облегчить строительную конструкцию, не увеличив при этом стоимость возводимого здания. Кремлевский Дворец съездов - одно из первых общественных зданий, построенных из этого чудо-металла.
К тому же здания, возведенные из алюминия, полностью отвечают современным требованиям. Таков, например, Дворец спорта "Крылья Советов", возвышающийся на западе столицы. Его главная арена может служить 12 различным видам спорта. Конечно, при строительстве дворца использовались самые современные материалы. И сталь, и стекло, и пластики, но основным был все же алюминий. Кроме навесных стеновых панелей, впервые в мировой практике здесь применены алюминиевые перекрытия. Они в десять раз легче стальных и потому могут монтироваться с помощью обычного автомобильного крана. Строительство в какой-то мере экспериментальное, но уже сейчас несомненное преимущество алюминия перед всеми иными - налицо.
А как нужны облегченные конструкции в отдаленных районах, в условиях бездорожья и гористой местности!
Впрочем, алюминий очень податлив и к обработке. Он легко режется, штампуется. Но главное его достоинство в том, что запасы минералов, содержащих алюминий, в земной коре очень велики.
Способы получения этого металла постоянно совершенствуются. Появляются новые приемы его экономии, вторичного использования. Металл вполне такого отношения достоин. А наука ищет кардинально новые пути увеличения алюминиевых ресурсов. Это прежде всего использование нефелиновых отходов, образующихся при производстве апатитового концентрата - сырья для производства фосфорных минеральных удобрений.
Нефелин (алюмосиликат натрия и калия) - один из распространеннейших алюминийсодержащих минералов.
Одно из самых богатых апатито-нефелиновых месторождений пашей страны открыто на Кольском полуострове еще в 20-х годах академиком А. Е. Ферсманом. Ныне общая добыча сырой руды этого месторождения составляет около 50 миллионов тонн в год. Из нее извлекается апатитовый концентрат, а остальная масса, так называемые "хвосты", идет в отвалы "хвостохранилище". В них лежит бесполезным грузом более 500 миллионов тонн ценнейшего сырья, на две трети состоящего из нефелина и на одну треть - из примесей других минералов, представляющих для народного хозяйства самостоятельную ценность. В том числе сфен и титаномагнетит - содержащие двуокись титана. Белила, сделанные на ее основе, белизной превосходят цинковые.
Нефелин сравнительно легко отделяется от примесей обычными, широко известными методами обогащения.
А метод переработки нефелина путем спекания его с известняком уже давно разработан советскими учеными и инженерами. При этом кремнезем связывается в нерастворимый двухкальциевый силикат, а глинозем образует хорошо растворимые в воде алюминаты натрия и калия.
После выщелачивания, отделения шлама и очистки от остатков кремнезема алюминиевые растворы обрабатываются углекислым газом. В результате из них образуются легкорастворимые карбонаты натрия и калия, а гидроокись алюминия выпадает в осадок, который путем кальцинации (прокаливания) превращает в товарный глинозем - главное алюминиевое сырье.
Процесс, как очевидно и неспециалисту, прост и относительно недорог. При этом все, как говорится, идет в дело, ничего не пропадает. Судите сами: спек силиката кальция перерабатывается на портландцемент, который просто необходим строительной индустрии;* содопоташные растворы, освобожденные от гидроокиси алюминия, выпаривают, разделяют и получают товарную соду и поташ.
На каждую тонну глинозема, произведенного этим способом, получается еще и 0,8 тонны кальцинированной соды, 0,35 тонны поташа, 7-8 тонн портландцемента, несколько десятков граммов галлия. Последний необходим для производства арсенида галлия - ценного материала электронной техники. Его применение открывает возможности значительного повышения быстродействия ЭВМ.
В свое время группе ученых и инженеров (во главе с бывшим директором Волховского алюминиевого завода И. Л. Талмудом) за разработку метода комплексного использования нефелиновых отходов и его реализацию была присуждена Ленинская премия. Да и практика показала высокую экономическую эффективность переработки нефелинового концентрата на глинозем, кальцинированную соду, поташ и цемент. Себестоимость глинозема, полученного таким образом, более чем на 60 процентов ниже среднеотраслевой, соды - на 40, цемента - на 9. Казалось бы, все ясно внедряй в производство и как можно быстрее, тем более что решения о строительстве необходимых установок при существующих цементных заводах были приняты своевременно.
Однако с места дело так и не сдвинулось. Отвалы нефелиновых "хвостов" продолжают расти, пылят, наносят серьезный ущерб окружающей среде. Вот уж поистине - богатства пускаются по ветру в буквальном смысле слова. Между тем, если вовлечь в переработку отходы нефелина Кольского производственного объединения "Апатит", мы могли бы значительно увеличить производство алюминия, ставшего ныне одним из важнейших конструкционных материалов. Его применение могло бы значительно расшириться, обеспечив, в частности, строительство легких и простых в изготовлении хранилищ зерна и других сельскохозяйственных продуктов. А они необходимы для реализации Продовольственной программы.
Решение "нефелиновой" проблемы позволило бы решить и еще одну проблему - содовую. Потому что для производства глинозема используется много низкокачественных бокситов, при переработке которых нужна кальцинированная сода, значительное количество которой импортируется. Использование нефелина для произвол,-, ства глинозема дает возможность улучшить баланс и этого важнейшего продукта.
Большое значение имеет и получаемый при этом поташ - дефицитнейшее калийное удобрение, без которого не получишь хорошего урожая того же картофеля. Практикуемый же сейчас в картофелеводстве хлористый калий (из-за отсутствия поташа) отрицательно сказывается на способности клубней к хранению.
Что же мешает сегодня решить проблему рационального использования нефелина в полном объеме? Ведомственная разобщенность трех министерств: цветной металлургии, строительных материалов и химической промышленности.
Впрочем, справедливости ради надо сказать, что Министерство химической промышленности свою часть проблемы (создание мощностей по получению обогащенного нефелинового концентрата из "хвостов") выполнило, однако из-за отсутствия спроса на концентрат вынуждено было использовать эти мощности не по прямому назначению. А ведь экономические расчеты показывают, что от задержки широкого внедрения уже апробированного промышленностью метода переработки нефелинового сырья народное хозяйство несет колоссальные убытки. И таких примеров нерадивого отношения к минеральному сырью - основе производства металлов - можно привести очень много. А они так нужны народному хозяйств*!
"Послужной список" необходимейших материалов земной цивилизации можно продолжать бесконечно. Причем, рядом с их достоинствами нередко соседствуют недостатки, и, как правило, серьезные. Взять, к примеру, тот же свинец. Свинцовый град, свинцовый ливень... Эти выражения всегда ассоциировались в нашем представлении с войной. Из свинца и сегодня льют пули. Что поделаешь?
Пока пуля еще весомый "аргумент" в современном мире, отказываться от нее рано.
Но свинец работает не только на военные нужды, и лишь алюминию, меди и цинку уступает он по объемам производства. Особенно много используется этого металла в автомобилестроении: около трети всей мировой добычи свинца идет на изготовление электроаккумуляторов.
Не обходится без него и самолетостроение, его используют химическая и электротехническая промышленность.
А поскольку свинец применяется и в топливной индустрии (тетраэтилсвинец - в качестве добавки к бензину), то его ядовитые пары выбрасываются вместе с выхлопными газами в атмосферу. Например, по подсчетам Калифорнийского технологического института, каждый год над норями и океанами нашей планеты выпадает около 50 тысяч тонн свинца, и половина его - свинцовая добавка к бензину. Отказаться бы от нее раз и навсегда!
Но ведь именно она делает работу автомобильного двигателя наиболее экономичной. Где же выход?
Искать и создавать новые материалы, способные заменить не всегда безвредный металл в самых разных производствах. Или использовать, ослабляя отрицательные его свойства.
Следующий пример - ртуть. Она применяется в качестве катода для электролизеров при производстве едкой щелочи. Ртутные вентили, используемые в выпрямителях переменного тока, отличаются особой надежностью в работе и долговечностью. Не забыты и печально знаменитые амальгамы - тончайшие золотые пленки, получаемые после того, как ртуть, в которой растворяют золото, испаряется. Но почему же печально?
Потому что пары ртути чрезвычайно ядовиты. Сегодня амальгамы используются в тех случаях, когда кеобходимо защитить тончайшей золотой пленкой металл, который она покрывает, от воздействия коррозии, бактерий, агрессивной среды.
Говоря о губительном воздействии ртути на человеческий (равно и на любой другой) организм, обычно приводят в качестве примера трагедию рабочих, наносивших позолоту на купол знаменитого Исаакиевского собора в Петербурге. Дело это было под стать богатырям. Предстояло покрыть медными листами, на которые методом амальгамирования нанесли более ста килограммов растворенного в ртути червонного золота. В итоге 60 рабочих погибло от отравления. Вот почему слово "амальгама" и ассоциируется до сих пор с человеческой трагедией.
Но потребность в ртути от этого нисколько не снижается. Многие физические измерительные приборы (в том числе и медицинские термометры) без ртути обойтись пока что не могут. Но гораздо шире ее используют при создании так называемых ртутных ламп, все настойчивее претендующих на звание основных приборов для освещения улиц. Такой опыт уже известен в стране.
А завершить этот необычный экскурс в историю открытий и использования металлов мне бы хотелось работой, к которой я имею сегодня непосредственное отношение.
Началась же она давным-давно. 140 лет назад профессор Казанского университета К. К. Клаус заинтересовался отходами платинового производства петербургского Монетного двора. Тогда платину выплавлять не умели, и монеты для широкого обращения изготавливали прессованием разогретого порошка. Как известно, именно этот метод лежит сейчас в основе перспективного направления переработки металлов - порошковой металлургии. Но в то время об этом еще не думали. Как и о том, что отходы этого производства послужат для еще одного важного открытия.
Исследуя отходы, К. К. Клаус обнаружил новый, неизвестный ранее элемент, который в честь России назвал рутением (от латинского названия нашей страны). Открытие было не из легких, поскольку все платиноиды (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина) очень близки по своим химическим и физическим свойствам, а потому работу К. К. Клауса вполне можно назвать научным подвигом, в котором ярко проявились выдающиеся знания, опыт, мастерство и интуиция ученого. Он подробно исследовал свойства рутения и сопутствующих ему родия, иридия, палладия.
Весть об открытии нового металла была встречена зарубежными учеными с некоторым недоверием. Но после повторных опытов крупнейший в то время химик Я. Берцелиус написал К. Клаусу: "Ваше имя будет неизгладимо начертано в истории химии".
Долгое время рутений и другие платиновые металлы не находили промышленного применения. После Великого Октября в 1918 году был создан Институт по изучению платины и других благородных металлов. Под руководством его первого директора выдающегося химика профессора Л. А. Чугаева были разработаны первые технологические процессы отечественного аффинажа (разделения) всех платиновых металлов. Уже в 20-х годах страна стала создавать свою платиновую промышленность.
Сейчас платиновые металлы добывают при переработке полиметаллических руд. Содержание в них платины и палладия исчисляется граммами на тонну, а других платиноидов - миллиграммами. Даже в крупномасштабном производстве балапс этих металлов ведется с точностью до граммов. Сегодня платиновые металлы не только активы национальных банков, но и важнейший технический материал. В ряде случаев они не могут быть заменены ничем другим.
Давно известна уникальная способность платиновых металлов резко ускорять химические реакции, лежащие в основе современного многотоннажного производства многих продуктов. Окислением аммиака на сплавах платины и родия получают азотную кислоту, необходимую для производства удобрений и многих других важных продуктов. Платина входит в состав катализаторов, используемых для получения высокооктановых бензинов, а также полупродуктов для производства красителей, фармацевтических препаратов, порохов, взрывчатых веществ, органического стекла и других полимерных материалов.
В последнее десятилетие резко возросло применение палладия в качестве катализатора.
Высокая коррозионная стойкость и тугоплавкость платиновых металлов и сплавов сделала их незаменимыми в различных реакторах для получения особо чистых веществ и материалов для радио- и электронной техники, изготовления фильер, в производстве стеклянного волокна и т. п. Нашел свое применение здесь и рутений, особенно при работе в агрессивных средах при повышенных температурах.
Использование палладия в качестве контактов в технике слабых токов (радио, телефон, телеграф) исключает образование помех. В технике сильных токов контакты из сплавов платиновых металлов обладают исключительно высокой надежностью. Словом, развитие научно-технического прогресса заставило столь широко использовать в технике платиновые металлы, что для традиционного ювелирного дела, например, остается их очень незначительная часть.
Но и на этом поприще уникальные возможности рутения раскрыты не в полной мере. Еще сказывается сложность его выделения из природного сырья, а также отделения от других платиновых металлов. Вот почему в нашей стране исследование соединений, образуемых рутением, всегда привлекало внимание специалистов.
В Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова (ИОНХ) АН СССР - одном из важнейших центров исследований по координационной химии в нашей стране, руководить которым я имею честь, - изучение свойств платиновых металлов, в том числе и рутения, проводится широким фронтом. Это вполне естественно, ибо ИОНХ - восприемник тематики и научных идей Института по изучению платины и других благородных металлов. Работы научных сотрудников института в области координационной химии платиновых металлов отмечены крупными достижениями. Но сейчас хотелось бы остановиться на исследовании окисных соединений рутения.
До середины 60-х годов соединения благородных металлов с кислородом были изучены слабо. Однако открытие в 1962 году немецким ученым X. Шефером и его сотрудниками металлического характера электропроводности у двуокиси рутения стимулировало интерес химиков к такого рода материалам, расширило возможности их практического использования.
Выяснилось, что окисные соединения рутения, родия, иридия, осмия и других платиновых металлов обладают уникальным сочетанием физических и химических свойств; инертностью по отношению к окислительным и восстановительным реагентам, термоустойчивостью, износостойкостью, широким диапазоном электрической проводимости в зависимости от своего состава. Эти удивительные качества позволили создать титановые электроды (аноды) с поверхностно инертным покрытием из окислов рутения. Они экономически более выгодны при производстве хлора и каустической соды электролизом, чем угольные.
В ИОНХ была открыта закономерность изменения электропроводности двойных окислов платиновых и неблагородных щелочных металлов и установлена ее связь с электронной конфигурацией иона соответствующего платинового металла. Стало ясно, что значение удельного электрического сопротивления таких двойных окислов может меняться в очень широких пределах - на 7-8 порядков. А это дает возможность выбора материала с нужными электрическими свойствами. Производство наиболее прогрессивных в электронной промышленности печатных микросхем не обходится без толстопленочных резисторов и проводящих паст, одним из важнейших компонентов которых стали окисные соединения рутения и других благородных металлов.
Рутений начинает активно работать в народном хозяйстве. Металл, открытый в нашей стране и названный о честь России, широко исследуется советскими химиками.
Дальнейшее изучение свойств платиноидов еще более расширит области применения этих ценнейших металлов.
В общем, потребности в этом и других металлах не снижаются, а возрастают. И все же... говоря о металлах как необходимейших материалах наших дней, перечисляя их многочисленные достоинства, проявляющиеся в разных областях науки и народного хозяйства, я пока лишь походя упомянул самое-самое, как говорится, их новое качество. Они все чаще становятся основой композиционных материалов, создание которых обязано актуальнейшим потребностям техники и науки. Им металлы и передают своп достоинства, свои качества, характеризуя которые люди испокон веков употребляли определение - "самый".
Мы вас ждем...
"...Что ни шаг. то встреча с полимерами. Выбежал в магазин за хлебом в руках полиэтиленовый пар;ет, сунул соску малышу - резина и пластмасса. А чем записать урок, лекцию, сделать домашнее задание? Конечно, пластмассовой шариковой ручкой. И если внимательно послютришь вокруг или хотя бы изучишь содержимое своего портфеля и сам портфель, то убедишься: без полимерных материалов сегодня - никуда. Или, может быть, недостаточно доказательств?
Сегодня многие хотят похудеть. И не только люди.
Избавляются от лишнего веса самолеты и автомашины, станки и приборы, радио- и телеприемники и пр.
И здесь основательно помогают полимеры. Загляните в автомобиль: отделка салона - полиуретаны, штурвал - этролы на основе ацетобутирата целлюлозы, лобовое стекло - безосколочный триплекс (многослойное силикатное стекло с промежуточным слоем из поливинилбутираля).
Не за горами и полностью полимерный автомобиль с керамическим двигателем, одним из создателей которого может быть кто-нибудь из нынешних юных химиков.
С самолетами сложнее - здесь к полимерным материалам требования жестче из-за большего перепада температур, больших механических нагрузок. Тем не менее нашлись полимерные материалы и для самолетостроения.
Например, полиимиды, сохраняющие свои физико-химические свойства в интервале от - 270 до + 300 градусов Цельсия. Полиимидные пенопласты отличная высокотемпературная звукоизоляции в реактивных двигателях.
Создана и электропроводящая пластмасса на основе полиацетилена и полиамида. В недалеком будущем познакомимся с ней поближе, когда на смену батареям центрального отопления придут тонкие ворсистые ковры-пластики, которые можно будет положить на пол или повесить на стену.
А как вы посмотрите на яблоко размером с голову человека и на виноград величиной со сливу? С удивлением и недоверием. Удивляться здесь надо искусству ученых и инженеров-полимерщиков, создавших биологически активные полимеры - стимуляторы роста.