Все для дітей


Сергій Венецкий
РОЗПОВІДІ ПРО МЕТАЛИ

ЦИРКОНІЙ

"ОДЯГ" УРАНОВИХ СТРИЖНІВ

Мартін Клапрот робить відкриття. - Що вам приснилося? - Без роботи. - Постійний супутник. - Серйозні розбіжності. - "Купання" в лугах. - Багатогранна діяльність. - Не побоюючись перегріву. - У пошуках покликання. - Долі "братів". - Стороннім вхід заборонено. - Реактор "Наутілуса". - Заслуги і гріхи. - Проблема за проблемою. - Багатства у відвалах. - На океанському березі. - Найдавніші на Землі. - Схильність до "розбухання". - Побічні професії. - Лампа Нернста. - На всі смаки. - Що відбувається в Монлуи? - "Столиця сонця". - Явне непорозуміння.

У 1789 році німецький хімік Мартін Генріх Клапрот, аналізуючи одну з різновидів мінералу циркону, виявив новий елемент, який він назвав цирконієм. Завдяки красивій забарвленням - золотистою, оранжевою, рожевою - циркон ще в епоху Олександра Македонського вважався дорогоцінним каменем. Назва мінералу походить, мабуть, від перського слова "заргун" - золотистий.

Циркон (в літературі зустрічаються й інші назви цього мінералу: гіацинт, яцинт, яргон, джаргон) використовували в старовину не тільки як прикраса, але і як амулет, який "серце обвеселит, і журбу і неподібні відганяє думки, розум і честь примножує". Один з давньоруських ескулапів з фаховою обізнаністю стверджував у своїй праці про медицину, що той "хтось яхонт червлений при собі носить, страшних снів і лихих не побачить, скріпить серце своє і в людях чесний буде". (Яхонтом на Русі називали багато дорогоцінне каміння, у тому числі і цейлонський гіацинт).

У вільному вигляді цирконій вперше виділив у 1824 році шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус. Однак отримати чистий цирконій в ті часи не представлялося можливим, та фізичні властивості цього металу довгий час не були вивчені. Протягом десятків років цирконій, подібно багатьом новим металів, не міг знайти собі заняття по душі, в той час як такі давно відомі метали, як залізо, мідь, свинець, вміли показати товар особою і тому не страждали від відсутності пропозицій.

Тільки на початку нашого століття вченим вдалося отримати вільний від домішок цирконій і ретельно досліджувати властивості цього металу. Виявилося, що у нього є постійний супутник - гафній. Понад 130 років хіміки не помічали, що гафній присутній (причому іноді в досить великих кількостях) в цирконії. Пояснюється це вражаючою схожістю їх хімічних властивостей. Втім, за деякими питань у цих елементів є серйозні розбіжності, але про це буде розказано трохи нижче.

Чистий цирконій - зовні схожий на сталь, але більш міцний метал, що володіє високою пластичністю. Одне з важливих властивостей цирконію - його виняткова стійкість до багатьох агресивних середовищ. З антикорозійним якостям цирконій перевершує такі стійкі метали, як ніобій і титан. Нержавіюча сталь втрачає в п'ятивідсоткової соляній кислоті при 60°С приблизно 2,6 міліметра в рік, титан - близько 1 міліметра , а цирконій - в тисячу разів менше. Особливо велике опір цирконію дії лугів; в цьому відношенні йому поступається навіть тантал, який по праву здобув собі репутацію видатного борця з хімічною корозією. Лише цирконій може дозволити собі тривале "купання" в лугах, містять аміак, - вельми агресивних середовищах, протипоказаних всім без винятку інших металів.

Завдяки високій корозійній стійкості цирконій знайшов застосування в настільки відповідальній сфері медицини, як нейрохірургія. Із сплавів цирконію виготовляють кровоспинні затискачі, хірургічний інструмент, а в ряді випадків навіть нитки для накладання швів при операціях мозку.

Після того як вчені помітили, що добавки цирконію до сталі значно покращують багато її властивості, цирконій був зведений у ранг цінного легуючого елемента. Діяльність цирконію на цьому терені багатогранна: він підвищує твердість і міцність сталі, покращує її оброблюваність, прожарювана, зварюваність, сприятливо впливає на рідкотекучість сталі, подрібнює містяться в ній сульфіди, робить структуру металу дрібнозернистою.

При введенні цирконію в конструкційну сталь помітно зростає її окалійну стійкість: втрати в масі стали, в якій міститься 0,2-0,3% цирконію, після тригодинної витримки при 820°С приблизно в шість-сім разів менше, ніж тієї ж сталі, але не легованої цирконієм.

Цирконій значно підвищує і корозійну стійкість сталей. Так, після тримісячного перебування у воді конструкційної сталі втрата в масі в перерахунку на 1 квадратний метр склала 16,3 грама, в той час як зразок тієї ж сталі, але з добавкою 0,2% цирконію, "схуд" лише на 7,6 грама.

Циркониевую сталь можна нагрівати до високих температур, не побоюючись перегріву. Це дозволяє інтенсифікувати процеси кування, штампування, термообробки, цементації металу.

Щільна дрібнозерниста структура і висока міцність цирконієвої сталі в поєднанні з хорошою жидкотекучестью дозволяють виготовляти з неї виливки з більш тонкими стінками, ніж зі звичайної сталі. Наприклад, зі сталі з цирконієм були відлиті досвідчені тонкостінні деталі зі стінками товщиною 2 міліметри; товщина стінок цих деталей з такої ж сталі, але не містить цирконію, становила не менше 5 - 6 міліметрів .

Цирконій виявився добрим союзником і для багатьох кольорових металів. Добавка цього елемента до міді різко збільшує її міцність і жароміцність, майже не знижуючи електропровідності. Високу міцність і електропровідність має меднокадмиевый сплав з невеликим вмістом цирконію. Введення його в алюмінієві сплави помітно підвищує їх міцність, пластичність, опір корозії, теплостійкість. Міцність магнийцинковых сплавів при добавці незначних кількостей цирконію зростає приблизно вдвічі. Корозійна стійкість сплаву титану з цирконієм в п'ятивідсоткової соляній кислоті при 100°С в десятки разів вище, ніж у технічно чистого титану. Добавка цирконію до молібдену помітно підвищує твердість цього металу. Цирконій вводять в марганцовистую латунь, алюмінієві, нікелеві, свинцеві бронзи.

І все ж, як не важлива і почесна роль легуючого елемента для сталей і сплавів, вона не могла задовольнити цирконій. Він продовжував шукати і знайшов своє справжнє покликання. Але перш ніж розповісти про це, повернемося до його колиски - в хімічну лабораторію Мартіна Клапрота.

Справа в тому, що в 1789 році Клапрот відкрив не лише цирконій, але і ще один чудовий елемент, якому судилося відіграти видатну роль в науці і техніці XX століття. Цим елементом був уран.Метали-брати - цирконій і уран Ні сам Клапрот, ні хто-небудь інший не могли тоді передбачити, як складуться долі "братів" - цирконію та урану. Шляхи їх розійшлися надовго: протягом півтора століть ніщо не пов'язувало ці елементи. І тільки в наші дні після довгої розлуки вони зустрілися знову. Спочатку про це знали лише дуже небагато вчені та інженери, що працювали в галузі ядерної енергетики, куди, як відомо, стороннім вхід заборонено. Зустріч відбулася в атомних реакторах, де уран використовували як ядерне паливо, а цирконій повинен був служити оболонкою для уранових стрижнів. Втім, заради точності відзначимо, що ще за кілька років до цього американські вчені спробували застосовувати цирконій в якості матеріалу для ядерного реактора, який був встановлений на першій атомному підводному човні США "Наутілус". Однак незабаром з'ясувалося, що з цирконію вигідніше робити не стаціонарні деталі активної зони реактора, а оболонки паливних елементів. Ось тоді-то уран і потрапив в обійми цирконію.

Вибір на цирконій впав не випадково: фізикам було відомо, що він, на відміну від багатьох інших металів, легко пропускає нейтрони, а саме такою властивістю, називається нейтронної прозорістю, повинен мати матеріал для корпусів уранових стрижнів. Правда, деякі метали магній, алюміній, олово - в цьому відношенні схожі з цирконієм, але вони легкоплавки і нежаропрочны. Цирконію, який плавиться лише при 1850°С, теплові навантаження ядерної енергетики цілком по плечу.

Однак і у цирконію є деякі грішки, які могли б перешкодити йому працювати в цій відповідальній області. Справа в тому, що прозорий для нейтронів тільки цирконій високого ступеня чистоти. Ось тут-то і доводиться знову згадати про гафнии - металі, який за хімічним властивостям може бути названий близнюком цирконію. Але погляди на нейтрони у них виявилися протилежними: гафній жадібно поглинає нейтрони (в сотні разів сильніше, ніж цирконій). Більш того, домішки гафнію навіть в гомеопатичних дозах здатні зіпсувати "кров" цирконію та позбавити його нейтронної прозорості. Технічні умови на цирконій так званої реакторної чистоти допускають присутність в ньому не більше декількох сотих часток відсотка гафнію. Але і такі крихти досить істотно - в кілька разів знижують нейтронну прозорість цирконію.

Оскільки у природі ці метали зазвичай знаходяться разом, отримати повністю вільний від гафнію цирконій - завдання надзвичайно труднощі. І тим не менш хімікам і металургам довелося взятися за цю проблему, так як атомна промисловість вкрай потребувала в конструкційному матеріалі.

Коли задача була вирішена, на порядок денний встала інша: домогтися того, щоб при виготовленні конструкцій з найчистішого цирконію в процесі зварювання в нього не потрапляли сторонні атоми, які могли б виявитися непереборною перешкодою на шляху нейтронів і тим самим звести нанівець всі достоїнства цього металу. До того ж зварювання потрібно було проводити таким чином, щоб не порушувати однорідність металу: зварювальний шов повинен володіти тими ж властивостями, що і зварюваний матеріал. На допомогу був покликаний електронний промінь. Чистота і точність електроннопроменева зварювання дозволили вирішити і цю проблему - цирконій став "одягом" уранових стрижнів.

Саме тоді і стався різкий стрибок у виробництві цього металу: лише за десятиліття - з 1949 по 1959 рік - світове виробництво цирконію зросла в тисячу разів! У хід пішли великі скупчення цирконових пісків, які раніше служили відходами при видобутку інших корисних копалин. Так, в Каліфорнії при видобутку золота драгами в руслах древніх річок разом із золотом на промивку піднімали значна кількість циркону, але з-за відсутності попиту його скидали у відвали. У штаті Орегон (США) в роки війни добували хроміт, а попутно отримували деяку кількість циркону, який не цікавило тоді промисловість і тому його не вивозили з місця видобутку. Коли ж незабаром після війни почався цирконієвий бум, всі ці відвали виявилися ласим шматочком.

Зараз великі родовища цього цінного елементу розробляють в США, Австралії, Бразилії, Індії, країнах Західної Африки; значними запасами цирконієвої сировини має і Радянський Союз. Відмінною рудою цирконію часто служать прибережні піски. В Австралії, наприклад, цирконовые розсипи простягаються майже на 150 кілометрів уздовж океанського узбережжя. А нещодавно в західній частині цього материка, недалеко від міста Микатарра, студенти-геологи, які досліджували сухе русло річки, яка протікала тут колись річки, виявили в выветрившихся піщаних породах кристали циркону, які опинилися найдавнішими на Землі. До цього висновку прийшли геофізики Національного університету в Канберрі, визначили, що вік знайдених цирконових вкраплень обчислюється в 4,1-4,2 мільярда років: вони на кілька сотень мільйонів років старше будь-яких інших відомих науці мінеральних утворень. Іншими словами, знайдений в Австралії циркон утворився лише якихось 300-400 мільйонів років після того, як сформувалася наша планета.

Потреба в цирконії зростає з року в рік, так як цей матеріал набуває все нові спеціальності. Його властивість у нагрітому стані жадібно поглинати гази використовують, наприклад, в електровакуумної техніки, в радіотехніці.

Деякі метали, в тому числі цирконій, в процесі гідрування, тобто насичення воднем, змінюють свою кристалічну решітку і помітно збільшуються в об'ємі - набагато більше, ніж при звичайному нагріванні. На цій властивості "розбухання" заснований винайдений радянськими фахівцями оригінальний спосіб з'єднання металевих і інших поверхонь в тих випадках, коли зварювання або паяння допомогти не в силах, наприклад, коли потрібно виготовити двошарову трубу з різних матеріалів - легкоплавкого (алюмінію, міді, пластмас) і тугоплавкого (жароміцної сталі, вольфраму, кераміки). У чому ж суть нового способу? Якщо на циліндр з схильного до "розбухання" металу щільно насадити одну на іншу дві різнорідні труби, а потім піддати метал гидрированию, то, "розбухаючи", він щільно припечатает ці труби один до одного. Так, наприклад, втулки з нержавіючої сталі, алюмінієвого сплаву, надіті на кільце з цирконію, після годинного перебування в атмосфері водню при 400°С "склеїлися" настільки міцно, що їх неможливо було роз'єднати.

З суміші порошку металевого цирконію з горючими сполуками виготовляють освітлювальні ракети, що дають велику кількість світла. Цирконієва фольга при горінні дає в півтора рази більше світла, ніж алюмінієва. "Спалахи" з циркониевым заповненням зручні тим, що займають зовсім мало місця - вони можуть бути завбільшки з наперсток. До циркониевым сплавів все уважніше придивляються конструктори ракетної техніки: цілком можливо, що з жароміцних сплавів цього елемента будуть виконані передні кромки космічних кораблів, призначених для регулярних рейсів в просторах всесвіту.

Дощові плащі зобов'язані своєю вологонепроникністю солей цирконію, які входять до складу особливої емульсії для просочення тканин. Солі цирконію застосовують також для виготовлення кольорових друкарських фарб, спеціальних лаків, пластичних мас. В якості каталізатора сполуки цирконію використовують при виробництві високооктанового моторного палива. Сірчанокислі сполуки цього елемента славляться відмінними дубильними властивостями.

Корисне застосування знайшов тетрахлорид цирконію. Електропровідність пластинки з цієї речовини змінюється в залежності від тиску, який на неї діє. Це властивість і було використане в конструкції універсального манометра - приладу для вимірювання тиску. При найменшій зміні тиску змінюється і сила струму в ланцюзі приладу, шкала якого отградуирована в одиницях тиску. Ці манометри дуже чутливі: з їх допомогою можна визначати тиск від стотисячних часток атмосфери до тисяч атмосфер.

Для багатьох радіотехнічних приладів - ультразвукових генераторів, стабілізаторів частоти та інших - потрібні так звані п'єзокристали. У деяких випадках їм доводиться працювати при підвищених температурах. З цієї точки зору безсумнівний інтерес представляють кристали цирконата свинцю, які практично не змінюють своїх п'єзоелектричних властивостей до 300 °С.

Розповідаючи про цирконії, не можна не згадати про його оксиді - одному з найбільш тугоплавких речовин природи: температура плавлення - близько 2900°С. Оксид цирконію широко використовують при отриманні вогнетривких виробів, жаростійких емалей, тугоплавких стекол. Ще більш тугоплавкий матеріал - борид цього металу. З нього виготовляють чохли для термопар, які можуть перебувати в розплавленому чавуні безперервно протягом десяти-п'ятнадцяти годин, а в рідкої стали дві-три години (кварцові чохли витримують лише одне-два занурення не більше ніж на 20-25 секунд).

Оксид цирконію володіє цікавою властивістю: сильно нагріте, він випромінює світло настільки інтенсивно, що може бути використаний в освітлювальній техніці. Це властивість помітив ще в кінці минулого століття відомий німецький фізик Вальтер Герман Нернст. У сконструйованої їм лампі (увійшла в історію техніки як лампа Нернста) стрижні розжарювання були виготовлені з оксиду цирконію. В лабораторних дослідах це речовина і зараз іноді застосовують у якості джерела світла.

Отримання цирконію з допомогою сонячної енергіїДобрим словом згадують оксид цирконію вчені з Фізичного інституту ім. П.Н.Лебедева Академії наук СРСР (ФІАН): на основі оксидів цирконію та гафнію їм вдалося створити дивовижні кристали, яких немає в природі. Фіаніти - так стали називати ці рукотворні самоцвіти - не тільки швидко завоювали визнання ювелірів, але і здобули велику популярність у світі науки і техніки. Досить відзначити той факт, що вони успішно справляються з роллю лазерних матеріалів.

А ось французькі вчені використовують оксид цирконію як вихідний матеріал для отримання цього металу з допомогою сонячної енергії. Ще в 50-х роках в Монлуи - фортеці, побудованої в XVII столітті у Східних Піренеях на висоті 1500 метрів над рівнем моря, була споруджена сонячна піч, спроектована групою дослідників під керівництвом професора Фелікса Тромбу. На проведеному в Монлуи симпозіумі по використанню сонячної енергії учасникам продемонстрували цю піч в дії.

"Повільно, майже непомітно, спеціальна платформа піднімає жменьку білого порошку до фокусу великого параболічного дзеркала. Ось платформа досягла фокусу і перед очима вчених та інженерів спалахнуло сліпуче яскраве біле полум'я.

Білий порошок - це оксид цирконію... Поміщений у фокус параболічного дзеркала, де температура концентрованих сонячних променів досягає 3000°С, порошок розчинився. Виниклу при цьому спалах можна спостерігати тільки через темні скла. І маленька купка розпеченого речовини, що лежить на платформі, нагадувала вивергається вулкан якійсь далекій геологічної ери".

Так описує процес отримання "сонячного" цирконію один з учасників симпозіуму. Спеціальний відбивач, що складається з безлічі окремих дзеркал і досягає 12 метрів в поперечнику, з допомогою фотоелементів автоматично обертається услід за Сонцем. Відображені їм промені відкидаються на велику параболічне дзеркало діаметром 10 метрів . Теплова потужність цього дзеркала, яке концентрує сонячні промені в жерлі печі, еквівалентна 75 кіловата.

В десяти кілометрах від Монлуи, у маленькому гірському селі Одейо, споруджена ще одна сонячна піч - найбільша в світі. Тих, хто приїжджає в столицю сонця" (так місцеві жителі з гордістю стали іменувати Одейо), зустрічає незвичайний пейзаж, схожий на декорації для зйомок науково-фантастичного фільму. Поруч зі старовинною гостроверхій церківкою підноситься ультрасучасне багатоповерховий будинок - Лабораторія сонячної енергії. Весь північний фасад його являє собою величезне параболічне дзеркало - заввишки 40 і шириною 50 метрів . На протилежному схилі гори рядами розміщені десятки дзеркал досить значних розмірів - геліостати. Сонячні промені, спіймані геліостатами, направляються спочатку на параболічне дзеркало, а звідти, зібрані в пучок, потрапляють в плавильну піч, де створюється температура 3500°С. Тепло, розвивається сонячним "зайчиком" в жерлі печі, еквівалентно 1000 кіловат електроенергії. Піч може виробляти до 2,5 тонни цирконію в день.

Головне достоїнство сонячних печей полягає в тому, що в процесі плавки в метал не потрапляють непотрібні домішки - їм нема звідки взятися. Тому одержувані тут метали і сплави характеризуються високою чистотою і користуються постійним попитом. Є й ще один вагомий аргумент на користь такого способу плавки: з Сонцем не потрібно розраховуватись за використану енергію - щедре світило безоплатно віддає її людям.

В укладення зупинимося на одному непорозуміння. Земна кора містить більше цирконію, ніж, наприклад, міді, нікелю, свинцю або цинку. Тим не менш, на відміну від цих металів, цирконій називають рідкісним. Колись це пояснювалося великою неуважністю цирконієвих руд, трудністю отримання цирконію, та ще і тим, що в техніці цей метал був дійсно "рідкісним гостем". Тепер же, коли виробництво цирконію з кожним роком неухильно зростає і він знаходить все нові і нові області застосування, термін "рідкісний" для нього вже втрачає свій сенс. Але минуле є минуле, і на питання про походження цирконій має право з гордістю відповідати: "рідкісних".

 



  © 2014 Все для дітей