Все для дітей


Сергій Венецкий
РОЗПОВІДІ ПРО МЕТАЛИ

БЕРИЛІЙ

МЕТАЛ КОСМІЧНОГО СТОЛІТТЯ

Казки перетворюються в реальність. - Смарагдові копальні цариці Клеопатри. - Хобі римського імператора. - "Він зелений, чистий, веселий і ніжний... " - Таємниця інків. - Слідство веде знавець. - Унікальний камінь повертається в Росію. - "Зелене ранок і кривавий вечір". - Джильда шукає берилій. - Про що розповідають сосни? - Сенсаційне повідомлення. - Порушник спокою. - Тяжке обвинувачення. - "Вирок" переглянутий. - В космос! - Дивний замовлення. - Вибуху не буде. - Союз найлегших. - Важливе відкриття. - Нейтрони сповільнюють біг. - Звук б'є рекорди. - Атомна "голка". - Рукотворні самоцвіти.

"Берилій - один із самих чудових елементів, величезного теоретичного і практичного значення.

...Оволодіння повітрям, сміливі польоти літаків і стратостатов неможливі без легких металів; і ми вже передбачаємо, що на допомогу сучасним металів авіації - алюмінію і магнію - прийде і берилій.
І тоді наші літаки будуть літати зі швидкістю тисячі кілометрів на годину.

За берилієм майбутнє!

Геохіміки, шукайте нові родовища. Хіміки, навчіться відокремлювати цей легкий метал від його супутника - алюмінію. Технологи, зробіть легкі сплави, що не тонуть у воді, тверді, як сталь, пружні, як гума, міцні, як платина, і вічні, як самоцвіт...

Може бути, зараз ці слова здаються казкою. Але як багато казок на наших очах перетворилося в реальність, влилася в наш простий домашній побут, а ми забуваємо, що ще 20 років тому наші радіо та звукове кіно звучали фантастичною казкою".

Так писав майже півстоліття тому найбільший радянський вчений академік А.Є. Ферсман, вже тоді зумів по достоїнству оцінити значення берилію.

Так, берилій - це метал майбутнього. І в той же час у Періодичній системі знайдеться небагато елементів, історія яких, подібно до історії берилію, сягає в далеке-далеке минуле.

...Понад двох тисячоліть тому в безводній пустелі Нубії, де знаходилися знамениті смарагдові копальні цариці Клеопатри, раби добували чудові кристали зеленого каменю. Каравани верблюдів доставляли смарагди до берегів Червоного моря, а звідти вони потрапляли в палаци володарів країн Європи, Близького і Далекого Сходу - візантійських імператорів, перських шахів, китайських богдыханов, індійських раджів.

Чудовим блиском, чистотою забарвлення, красою гри густо-зелений, майже темний, то блискучий сліпучої зеленню - смарагд у всі часи полонив людини. "У порівнянні з ним, - писав римський історик Пліній Старший, - ніяка річ зеленіша не зеленіє...". За переказами, жорстокий і самозакоханий римський імператор Нерон зазвичай дивився на криваві бої гладіаторів через великий відшліфований кристал смарагду. Коли в Римі спалахнула пожежа, Нерон милувався танцюючими мовами вогню через той же "оптичний" смарагд, в якому помаранчеві фарби полум'я зловісно зливалися з зеленню каменю (Можливо, в цю давню легенду доведеться внести суттєву поправку: за повідомленнями преси, монокль Нерона, що зберігається у Ватикані, нещодавно нібито потрапив в руки фахівця-минералогу і виявилося, що кристал являє собою не смарагд, а хризоліт). "Він зелений, чистий, веселий і ніжний, як весняна трава..." - писав про смарагді А.І. Купрін.

З відкриттям Америки в історію зеленого каменя була вписана нова сторінка. У могилах і храмах Мексики, Перу, Колумбії іспанці виявили безліч великих темно-зелених смарагдів. За кілька років іспанці розграбували ці казкові багатства. Знайти ж місце, де добувався чудовий самоцвіт, їм довго не вдавалося. І тільки в середині XVI століття завойовники Америки зуміли, нарешті, оволодіти таємницею інків і проникнути до скарбів смарагдових копалень Колумбії.

Як берилій виявили в РосіїРідкісний за красою колумбійський смарагд панував в ювелірній справі до XIX століття. У 1831 році уральський смолокур Максим Кожевников, збираючи хмиз у лісі поблизу невеличкої річечки Токовий, знайшов перший російський смарагд. Великі яскраво-зелені смарагди Уралу швидко отримали визнання ювелірів всього світу.

Розробкою уральських смарагдових копалень керував у той час "виправляє посаду командира" Єкатеринбурзькій гранувальної фабрики Яків Коковин, кришталево чесна людина, великий знавець і художник каменю. У 1834 році до нього потрапив знайдений на одній з копалень величезний смарагд вагою більше двох кілограмів. Чи міг він тоді знати, яку фатальну роль зіграє в його долі цей красивий камінь, який увійшов в історію мінералогії як "смарагд Коковіна"?

Найбільш коштовні камені командир гранил сам. І на цей раз він мав намір своїми руками зробити ограновування самоцвіти-велетня. Але його планам не призначено було збутися: з Петербурга за помилковим доносом раптово нагрянула ревізія, у Коковіна вчинили обшук і "знайшли" смарагд, який той і не збирався ховати. Разом з каменем його під вартою відправили в столицю. Слідство по цій справі вів граф Перовський, слившій великим знавцем і любителем дорогоцінних каменів. Він і довів справу до бажаного для себе кінця: ні в чому не винного Коковіна граф запроторив до в'язниці (де зломлений несправедливими наклепами майстер незабаром покінчив з собою), а смарагд, обминувши державну скарбницю, поповнив колекцію графа. Але у того камінь не затримався: крупно програвши в карти, знатний вельможа змушений був розлучитися з ним, і смарагд перекочував до таємному раднику князеві Кочубею, власнику найбільшої в Росії колекції самоцвітів. Після смерті князя його син перевіз чимало цінних каменів, серед яких знаходився і "смарагд Коковіна", до Відня, де влаштував їх розпродаж. За наполяганням російської Академії наук царський уряд за величезні гроші викупив колекцію. Найбільший у світі смарагд повернувся на батьківщину і зараз прикрашає експозицію Мінералогічного музею Академії наук СРСР у Москві.

Смарагд - один з багатьох мінералів берилію. Блакитно-зелений, колір морської води аквамарин і вишнево-рожевий вороб'євит, винно-жовтий геліодор і жовтувато-зелений берил, найчистішої води фенакит і ніжний синій евклаз, прозорий зелений хризоберил і його дивовижна різновид олександрит - густо-зелений вдень і малиновий при штучному освітленні ("зелене ранок і кривавий вечір" - образно описав його Н.С. Лєсков) - ось лише деякі, але, мабуть, найбільш імениті представники сімейства берилієвих самоцвітів.

Земна кора аж ніяк не бідна берилієм, хоча цей елемент міцно здобув собі репутацію рідкісного. Пояснюється це, зокрема, тим, що знайти берилієві мінерали часом буває нелегко. І тут на допомогу може прийти його давній друг - собака. Останнім часом у літературі часто з'являються повідомлення про пошуках корисних копалин за допомогою чотириногих "геологів". Про вміння собак знаходити що-небудь або кого-небудь по запаху відомо чимало фактів і легенд. Але які їх геологічні здібності? Які мінерали можуть відшукати кошлаті рудознатцы? "Відповісти на це питання нам допомогла колекція Мінералогічного музею Академії наук СРСР, - розповідає доктор біологічних наук Васильєв Г.А. - ініціатор нового напряму в розвідці сховані в землі природних скарбів. - Особливо ефективним виявився досвід з металевим берилієм: понюхавши його, собака по кличці Джільда потім з безлічі мінералів вибрала смарагд, аквамарин, вороб'євит, фенакит, бертрандит, тобто все те і тільки те, що містять берилій. Розклавши все бериллийсодержащие мінерали серед інших зразків і давши їх вибрати собаці, ми знову просили собаку шукати. Тоді Джільда йшла по музею, лягав грудьми на вітрину, де знаходився величезний смарагд, і гавкала".

Джильда знаходить берилій

Представники флори теж готові внести свою лепту в пошук берилієвих родовищ. У цій ролі може виступати звичайна сосна, має схильність відбирати берилій з грунту і накопичувати його в своїй корі. Якщо сосна росте недалеко від залягання берилієвих мінералів, то концентрація цього елемента в сосновій корі виявляється в сотні разів вище, ніж у грунті, і в десятки разів вище, ніж в корі інших дерев, наприклад берези або модрини.

Як ви вже знаєте, ювеліри з повагою ставляться до багатьох берилієвим каменів-самоцвітів, а ось технологи, зайняті виробництвом металевого берилію, більш перебірливі у своїх прихильностях: з усіх берилієвих мінералів вони цінують лише берил, бо тільки цей мінерал має промислове значення. У природі зустрічаються кристали-гіганти берилу: маса їх досягає десятків тонн, довжина - кількох метрів. А нещодавно на Мадагаскарі виявлений монокристал берилу, що важить 380 тонн. Довжина цього "кристалики" 18 метрів, його поперечник 3,5 метра.

У Гірському музеї в Ленінграді є цікавий експонат - півтораметровий кристал берилу. У блокадную зиму 1942 року ворожий снаряд пробив дах будівлі і розірвався в головному залі. Осколки серйозно пошкодили кристал, і здавалося, що йому вже не знайдеться місця в експозиції музею. Але після кропіткої ювелірної роботи художників-реставраторів камінь був відновлений у первісному вигляді. Зараз про пережиту ним операції нагадують лише два поржавілих снарядних осколка, вмурованих в пластину з органічного скла, та пояснювальна табличка, що розповідає про цьому експонаті.

Не дивно, що берилієві камені-самоцвіти здавна привертали увагу не лише любителів коштовностей, але і хіміків.

У XVIII столітті, коли науці ще не був відомий елемент, що знаходиться зараз у Періодичній системі під номером 4, багато вчених намагалися аналізувати берил, однак ніхто не зміг виявити, що міститься в ньому метал. Він ніби ховався за спину алюмінію та його сполук - властивості цих елементів дивно схожі. Але відмінності все ж таки були. І першим, кому вдалося їх помітити, став французький хімік Луї Нікола Воклен. 26 плювиоза VI року революційного календаря (тобто 15 лютого 1798 року) на засіданні французької Академії наук Воклен зробив сенсаційне повідомлення про те, що в берилле і смарагді міститься нова "земля", відмінна по своїх властивостях від глинозему, або оксиду алюмінію.

Солі нового елемента мали солодкуватий присмак, і тому Воклен запропонував назвати його глицинием (по-грецьки "глікос" - солодкий), однак багато вчених вважали це назва невдалим, оскільки солодкий смак притаманний солей і інших елементів, наприклад ітрію. За пропозицією відомих хіміків німця Клапрота і шведа Экеберга, також займалися дослідженнями берилу, відкритий в цьому мінералі хімічний елемент був названий берилієм, а назва гліциній довгий час зберігався лише у французькій хімічній літературі.

Схожість берилію та алюмінію принесло чимало клопоту творця Періодичної системи елементів Д.І. Менделєєву. Справа в тому, що в середині XIX століття берилій саме через це подібності вважався трехвалентным металом з атомною масою 13,5 і, отже, повинен був займати в таблиці місце між вуглецем і азотом. Це вносило явну плутанину в закономірна зміна властивостей елементів і ставило під сумнів правильність Періодичного закону. Менделєєв, переконаний у своїй правоті, вважав, що атомна маса берилію визначена невірно, що елемент повинен бути не трехвалентным, а двовалентних з магнезиальными властивостями. На підставі цього він помістив берилій у другу групу, виправивши його атомну масу на 9. Незабаром це змушені були підтвердити шведські хіміки Нільсон і Патерсон, які раніше були твердо переконані в трехвалентности берилію. Їх ретельні дослідження показали, що атомна маса елемента дорівнює 9,1. Так, завдяки берилію - порушнику спокою в Періодичній системі - восторжествував один з найважливіших хімічних законів.

Доля цього елемента багато в чому схожа з долями його побратимів-металів. У вільному вигляді він був виділений в 1828 році німецьким хіміком Велером і незалежно від нього французьким хіміком Бюссі, але лише через сім десятиліть француз Лебо електролізом розплавлених солей зміг отримати чистий металевий берилій. Не дивно, що ще на початку нашого століття хімічні довідники безапеляційно звинувачували берилій у "дармоїдстві": "Практичного застосування не має".

Однак бурхливий розвиток науки і техніки, яким ознаменувався XX століття, змусило хіміків та інших фахівців переглянути цей явно несправедливий вирок. Вивчення чистого берилію показало, що він володіє багатьма цінними і цікавими властивостями.

Один з найбільш легких металів, берилій характеризується в той же час солідної міцністю, більшою, ніж у конструкційних сталей, не кажучи вже про "колег" берилію по групі металів-легкоатлетів. Так, якщо алюмінієва дріт перетином 1 квадратний міліметр здатна витримати лише трохи більше 10 кілограмів (наприклад, відро з водою), то берилієва дріт такого ж перерізу витримує вантаж у шість разів важче, тобто рівний приблизно масі тіла дорослої людини. У той же час берилій плавиться при набагато більш високій температурі, ніж магній і алюміній. Таке вдале поєднання властивостей робить берилій сьогодні одним з основних авіаційних матеріалів. Деталі літака, виготовлені з цього металу, набагато легше, ніж алюмінієві.

Відмінна теплопровідність, висока теплоємність і жароміцність дають можливість використовувати берилій та його сполуки в космічній техніці в якості теплозахисного матеріалу. З берилію були виконані, наприклад, елементи теплового захисту кабіни американського космічного корабля "Меркурій".

Берилій жароміцний

Берилієві деталі, що зберігають високу точність і стабільність розмірів, використовуються в гіроскопах - приладах, що входять в систему орієнтації та стабілізації ракет, космічних кораблів та штучних супутників Землі.

З точки зору освоєння космічного простору вельми перспективно ще одна властивість берилію: при його горінні виділяється величезна кількість тепла. В цьому відношенні з ним не в силах конкурувати жоден інший метал. Не випадково конструктори космічної техніки розглядають берилій як можливий компонент високоенергетичного ракетного пального для польотів на Місяць і більш далекі від нас небесні тіла. Запропоновано також виготовляти з нього паливні резервуари ракетних систем: коли пальне витратиться, замість нього можна буде використовувати (або, просто кажучи, спалити) бериллиевую "тару".

Широке застосування в авіації знаходять сплави міді з берилієм - берилієві бронзи. З них виготовляють багато виробів, від яких потрібні велика міцність, хороша опірність втоми та корозії, збереження пружності в значному інтервалі температур, висока електро - і теплопровідність. Підраховано, що в сучасному важкому літаку понад тисячі деталей зроблено з цих сплавів. Завдяки своїм пружним властивостям берилієва бронза служить прекрасним пружним матеріалом. Пружини з такої бронзи практично не знають втоми: вони здатні витримувати мільярди циклів значної за величиною навантаження!

До речі, саме з пружинами пов'язаний цікавий епізод з історії другої світової війни. Гітлерівська промисловість була відрізана від основних джерел берилієвого сировини. Світова видобуток цього цінного стратегічного металу практично повністю перебувала в руках США. І німці пішли на хитрість. Вони вирішили використовувати нейтральну Швейцарію для контрабандного ввезення берилієвої бронзи: американські фірми отримали від швейцарських "годинникарів" замовлення на таке її кількість, якої вистачило б на годинникові пружини всьому світу років на п'ятсот вперед. Хитрість, правда, була розгадана, і це замовлення залишився невиконаним. Але все ж час від часу у новітніх марках скорострільних авіаційних кулеметів, що надходили на озброєння фашистської армії, з'являлися пружини з берилієвої бронзи.

Втома - одна з "фахових захворювань" багатьох металів і сплавів, які, не витримуючи змінних навантажень, поступово руйнуються. Добавка ж сталь навіть невеликої кількості берилію як рукою знімає втому. Якщо автомобільні ресори із звичайної вуглецевої сталі ламалися вже після 800-850 тисяч поштовхів, то після введення я сталь "вітаміну Be" ресори витримували десятки мільйонів поштовхів, не виявляючи і слідів втоми.

На відміну від сталі, берилієва бронза не іскриться при ударі об камінь або метал, тому її широко використовують для виготовлення інструменту, вживаного на вибухонебезпечних роботах в шахтах, на порохових заводах, нафтобазах.

Берилій істотно впливає на властивості магнію. Так, присадка всього декількох тисячних часток відсотка берилію запобігає займанню магнієвих сплавів при плавці та розливу (тобто приблизно при 700°С). Різко зменшується при цьому і корозія сплавів - як на повітрі, так і у воді.

Велике майбутнє належить, мабуть, сплавів берилію з літієм. Союз цих двох найлегших металів призведе, бути може, до появи відмінних конструкційних сплавів - міцні, як сталь, і легких, як дерево.

За своїм хімічним даними берилій міг би з успіхом виконувати роль розкислювача сталі, допомагаючи їй позбуватися проник в неї кисню. На жаль, він ще дуже дорогий, і використовувати його у великих кількостях металургії поки не можуть. Але вони знайшли берилію інше важливе застосування, де витрата його невеликий: насичення цим металом поверхні сталевих виробів - бериллизация - значно підвищує їхню твердість, міцність, зносостійкість.

Вельми прихильні до берилію рентгенотехніки - адже він краще за всіх інших стійких на повітрі металів пропускає рентгенівські промені. Зараз з нього у всьому світі роблять вікна для рентгенівських трубок. Пропускна здатність таких вікон майже в двадцять разів вище, ніж алюмінієвих, що застосовувалися раніше для цієї мети.

Берилій зіграв помітну роль у розвитку вчення про будову атома і його ядра. Ще на початку 30-х років німецькі фізики Боте і Беккер, бомбардуючи берилій альфа-частинками, виявили так зване берилієве випромінювання - дуже слабке, але володіє значною проникаючою силою: промені проходили через шар свинцю товщиною кілька сантиметрів. Природу цього випромінювання встановив у 1932 році англієць Чэдвик. Виявилося, що воно являє собою потік електрично нейтральних частинок, маса яких приблизно дорівнює масі протона. Нові частинки були названі нейтронами.

Відсутність електричного заряду дозволяє нейтронам легко впроваджуватися в ядра атомів інших елементів. Це властивість зробило нейтрон ефективним снарядом атомної артилерії. Зараз нейтронні гармати широко застосовуються для здійснення ядерних реакцій.

Вивчення атомної структури берилію показало, що для нього характерно малий перетин захоплення нейтронів і велика величина їх розсіювання. Завдяки цьому берилій розсіює нейтрони, змінює напрямок їх руху і уповільнює швидкість до таких значень, при яких ланцюгові реакції протікають більш ефективно. З усіх твердих матеріалів берилій вважається кращим сповільнювачем нейтронів. Чудово справляється він з роллю відбивача нейтронів, повертає їх в активну зону реактора, протидіє їх витоку. Йому властива також висока радіаційна стійкість, зберігається при дуже великих температурах. Всі ці чудові властивості роблять берилій одним з найнеобхідніших елементів "томної техніки.

Безсумнівний інтерес для науки представляє "звукопропускная" здатність цього металу. В повітрі швидкість звуку становить 330 метрів в секунду, у воді - близько 1500 метрів. У бериллии же звук побиває всі рекорди, долаючи за секунду 12600 метрів (у 2-3 рази більше, ніж в інших металевих матеріалах). На цю особливість вже звернули увагу творці музичних інструментів.

Багатьма цінними властивостями володіє і оксид берилію. Висока вогнестійкість (температура плавлення понад 2600 °С), значна хімічна стійкість і велика теплопровідність дозволяють використовувати цей матеріал для футерівки індукційних печей, виготовлення тиглів для плавки різних металів і сплавів. Так, для виплавки берилію у вакуумі застосовують тільки тиглі з оксиду берилію, який з ним абсолютно не взаємодіє. Цей оксид служить основним матеріалом для оболонок тепловиділяючих елементів (твелів) атомних реакторів.

Теплоізоляційні властивості оксиду берилію, можливо, будуть використані при дослідженні глибинних шарів нашої планети. Існує проект взяття проб з мантії Землі з глибин до 32 кілометрів з допомогою так званої "атомної голки", що представляє собою мініатюрний атомний реактор, який укладено в теплоізолюючий футляр з оксиду берилію з вістрям з важких вольфрамових сплавів.

Оксид берилію має вже великий стаж роботи в скляної промисловості. Добавки підвищують його твердість, показник заломлення і хімічну стійкість скла. Введення оксиду та інших сполук берилію дозволяє отримувати спеціальні скла високої прозорості для усіх променів спектра - від ультрафіолетових до інфрачервоних.

Оксид берилію і служить вихідною сировиною для створення штучних смарагдів і інших берилієвих самоцвітів, вирощуваних при високих тисках і температурах. Цей процес здійснюється сьогодні вже не тільки в наукових лабораторіях, але і у виробничих умовах.

...Збулися пророчі слова чудового вченого і мрійника А.Є. Ферсмана. Зовсім небагато часу знадобилося берилію, щоб виправдати покладені на нього надії. З маловідомого рідкісного елемента він перетворився сьогодні у один з найважливіших металів XX століття.



  © 2014 Все для дітей