ЦИРКОН І ЦИРКОНІЙ
Циркон (в літературі зустрічаються й інші назви цього мінералу: гіацинт, яцінт, Яргон, джаргон) використовували в старовину не тільки як прикраса, але і як амулет, який "серце обвеселіт, і журбу і неподібні думки відганяє, розум і честь примножує". Один з давньоруських ескулапів з професійної обізнаністю стверджував в своїй праці про медицину, що той "хто яхонт * червлений при собі носить, снів страшних і лихих не побачить, скріпить серце своє і в людях чесний буде".
У вільному вигляді цирконій вперше виділив в 1824 році шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус. Однак отримати чистий цирконій в ті часи не представлялося можливим, і фізичні властивості цього металу довгий час не були вивчені. Протягом десятків років цирконій, подібно до багатьох новим металів, не міг знайти собі заняття до душі, в той час як такі давно відомі метали, як залізо, мідь, свинець, вміли показати товар лицем 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) з цирконії. Пояснюється це вражаючою схожістю їх хімічних властивостей. Втім, по некою- 1 рим 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. За антикорозійним якостям цирконій перевершує Такі стійкі метали, як ніобій і титан. Нержавіюча сталь втрачає в відсоткової соляної кислоти 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 хімічної корозією. Лише цирконій може дозволити собі тривалий "купання" в лугах, що містять аміак, - вельми агресивних середовищах, непридатних всім без винятку інших металів.
Завдяки високій корозійної стійкості цирконій знайшов застосування в такій відповідальній галузі медицини, як нейрохірургія. З сплавів цирконію виготовляють зупиняють кров затискачі, хірургічний інструмент, а в ряді випадків навіть нитки для накладення швів при операціях мозку.
Після того як вчені помітили, що добавки цирконію до стали значно покращують багато її властивості, цирконій був зведений в ранг цінного легуючого елемента. Діяльність цирконію на цьому терені багатогранна: він підвищує твердість і міцність сталі, поліпшує її оброблюваність, прокаліваемость, зварюваність, сприятливо впливає на вологотекучість стали, подрібнює містяться в ній сульфіди, робить структуру металу дрібнозернистої.
При введенні цирконію в конструкційну сталь помітно зростає її окаліностой- кістка: 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 стали , 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 стали, але з добавкою 0,2% цирконію, "схуд" лише на 7,6 грами.
Цирконієву сталь можна нагрівати до високих температур, не побоюючись перегріву. Це дозволяє інтенсифікувати процеси кування, штампування, термообробки, цементації металу.
Щільна дрібнозернистий структура і висока міцність цирконієвої стали в поєднанні з хорошою жидкотекучестью дозволяють виготовляти з неї виливки з більш тонкими стінками, ніж зі звичайної сталі. Наприклад, зі сталі з цирконієм відлили досвідчені тонкостінні деталі зі стінками товщиною 2 міліметри; товщина стінок цих деталей з такою ж стали, але не містить цирконію, становила не менше 5-6 міліметрів.
Цим елементом був уран. Ні сам Клапрот, ні будь-хто інший не могли тоді передбачити, як складуться долі "братів" - цирконію і урану.
Вибір на цирконій впав не випадково: фізикам було відомо, що він, на відміну від багатьох інших металів, легко пропускає нейтрони, а саме таку властивість, званому нейтронної прозорістю, повинен володіти матеріал для корпусів уранових стрижнів. Правда, деякі метали - магній, алюміній, олово - в цьому відношенні подібні з цирконієм, але вони легкоплавкі і нежаропрочни. Цирконію ж, 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 гафнію - металі, який за хімічними властивостями може бути названий близнюком цирконію. Але погляди на нейтрони у них виявилися протилежними: гафній з жадібністю поглинає нейтрони (в сотні разів сильніше, ніж цирконій). Більш того, домішки гафнію навіть в гомеопатичних дозах здатні зіпсувати "кров" цирконію і 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 до вільно істотно - в кілька разів - знижують нейтронну прозорість цирконію.
Оскільки в природі ці метали зазвичай знаходяться разом, отримати повністю вільний від гафнію цирконій - завдання колосальної труднощі. І тим не менше хімікам і
металургам довелося взятися за цю проблему, так як атомна промисловість вкрай потребувала конструкційному матеріалі.
Коли завдання було вирішено, на порядок денний постало інша: домогтися того, щоб при виготовленні конструкцій з найчистішого цирконію в процесі зварювання в нього не потрапляли чужорідні атоми, які могли б виявитися непереборною перешкодою на шляху нейтронів і тим самим звести нанівець всі переваги цього металу . До того ж зварювання потрібно було проводити таким чином, щоб не порушити однорідність металу: зварювальний шов повинен володіти тими ж властивостями, що і зварюваний матеріал. На допомогу був покликаний електронний промінь. Чистота і точність електронно-променевого зварювання дозволили вирішити і цю проблему - цирконій став "одягом" уранових стрижнів.
Саме тоді і відбувся різкий стрибок у виробництві цього металу: тільки за десятиліття - з 1949 по 1959 рік - світове виробництво цирконію зросла в тисячу разів! У хід пішли великі скупчення цирконієвих пісків, які раніше служили відходами при видобутку інших копалин. Так, в Каліфорнії при видобутку золота драгами в руслах давніх річок разом з золотом на промивку піднімали значна кількість циркону, але через відсутність попиту його скидали в відвали. У штаті Орегон (США) в роки війни добували хромит, а попутно отримували деяку кількість циркону, яка не інте пхав тоді промисловість і тому його не вивозили з місця видобутку. Коли ж невдовзі 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, цирконові розсипи тягнуться майже на 150 кілометрів уздовж океанського узбережжя. А недавно в західній частині цього материка, недалеко від міста Мікатарра, студенти-геологи, які досліджували сухе русло протікала тут колись річки, виявили в вивітрилися піщаних породах кристали циркону, які виявилися найдавнішими на Землі. До цього висновку прийшли геофізики Національного університету в Канберрі, визначили, що вік знайдених цирконієвих вкраплень обчислюється в 4,1-4,2 мільярда років: вони на кілька сот мільйонів років старше будь-яких інших відомих науці мінеральних утворень. Іншими словами, знайдений в Австралії циркон утворився через 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 в нагрітому стані жадібно поглошать гази використовують, наприклад, в електровакуумної техніці, в радіотехніці.
Деякі метали, в тому числі цирконій, в процесі гідрування, тобто насичення воднем, змінюють свою кристалічну решітку і помітно збільшуються в обсязі - набагато більше, ніж при звичайному нагріванні. На цій властивості "розбухання" заснований винайдений радянськими фахівцями оригінальний спосіб з'єднання металевих та інших поверхонь в тих випадках, коли зварювання чи пайка допомогти не в силах, наприклад, коли потрібно виготовити двошарову трубу з різних матеріалів - легкоплавкого (алюмінію, міді, пластмас) і тугоплавкого (жароміцної стали, 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 припечатає ці труби один до одного. Так, наприклад, втулки з нержавіючої сталі і 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 цирконієвим заповненням зручні тим, що займають зовсім мало місця - вони можуть бути завбільшки з наперсток. До цирконієвим сплавів все уважніше придивляються конструктори ракетної техніки: цілком можливо, що з жароміцних сплавів цього елемента будуть виконані передні Ч<ромки космических кораблей, предназначенных для регулярных рейсов в просторах вселенной.
Дощові плащі зобов'язані своєю вологонепроникністю солям 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 з'єднання цирконію використовують при виробництві високооктанового моторного палива. Сірчанокислий з'єднання цього елемента славляться відмінними дубильними властивостями.
Корисне застосування знайшов тетрахлорид цирконію. Електропровідність платівки з цієї речовини змінюється в залежності від тиску, який на неї діє. Це властивість і було використано в конструкції універсального манометра - приладу для вимірювання тиску. При щонайменшій 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, стабилиза
рів частоти і інших - потрібні так звані пьезокрісталли. 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 його - 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 рідкій сталі дві-три години (кварцові чохли витримують лише одне-два занурення не більше ніж на 20-25 секунд).
Оксид цирконію володіє цікавою властивістю: сильно нагрітий, він випромінює світло настільки інтенсивно, що може бути використаний в освітлювальної техніки. Це властивість помітив ще в кінці минулого століття відомий німецький фізик Вальтер Герман Нернст. У сконструйованої їм лампі (що увійшла в історію техніки як лампа Нернста) стрижні розжарювання були виготовлені з оксиду цирконію. У лабораторних дослідах ця речовина і зараз іноді застосовують як джерело світла.
Добрим словом згадують оксид цирконію вчені Фізичного інституту ім. П.Н. Лебедєва Академії наук СРСР (ФІАН). на основі оксидів цирконію і гафнію їм вдалося створити дивовижні кристали, яких немає в природі. Фіаніти - так стали називати ці рукотворні самоцвіти - не тільки швидко завоювали визнання ювелірів, а й здобули велику популярність в 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 за допомогою сонячної енергії. Ще в 50-х роках в монлуї - фортеці, побудованої в XVII столітті в Східних Піренеях на висоті 1500 метрів над рівнем моря, була споруджена сонячна піч, спроектована групою дослідників під керівництвом професора Фелікса Тромбу. На проведеному в монлуї симпозіумі по використанню сонячної енергії учасникам продемонстрували цю піч у дії.
"Повільно, майже непомітно, спеціальна платформа піднімає жменьку білого порошку до фокусу великого параболічного дзеркала. Ось платформа досягла фокуса і перед очима вчених і інженерів спалахнуло сліпуче яскраве біле полум'я.
Білий порошок - це оксид цирконію. Поміщений в фокус параболічного дзеркала, де температура концентрованих сонячних променів досягає 3000 ° С, порошок розплавився. Що виникла при цьому спалах можна спостерігати тільки через темні скла. І маленька купка розпеченого речовини, що лежить на платформі, нагадувала вивергається вулкан якійсь далекій геологічній 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 велике параболічне дзеркало діаметром 10 метрів. Теплова потужність цього дзеркала, яке концентрує сонячні промені в жерлі печі, еквівалентна 75 кіловат.
У десяти кілометрах від монлуї, в маленькій гірському селі одей, споруджена ще одна сонячна піч - найбільша в світі. Тих, хто приїжджає в "столицю сонця" (так місцеві жителі з гордістю стали іменувати одей), зустрічає незвичайний пейзаж, схожий на декорації для зйомок науково-фантастичного фільму. Поруч із старовинною гострої церковкою височить ультрасучасне багатоповерховий будинок - Лабораторія сонячної енергії. Весь північний фасад його представляє собою величезну параболічне дзеркало - висотою 40 і шириною 50 метрів. На протилежному схилі гори рядами розміщені десятки дзеркал досить значних розмірів - геліостати. Сонячні промені, піймані гелиостатами, направляються спочатку на параболічне дзеркало, а звідти, зібрані в пучок, потрапляють в плавильну піч, де створюється температура 3500 ° С. Тепло, що 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 немає звідки взятися. Тому одержувані тут метали і сплави характеризуються високою чистотою і користуються постійним попитом. Є і ще один вагомий аргумент на користь такого способу плавки: з Сонцем не потрібно розплачуватися за використану енергію - щедре світило безоплатно віддає її людям.
На закінчення зупинимося на одному непорозуміння. Земна кора містить більше цирконію, ніж, наприклад, міді, нікелю, свинцю або цинку. Проте, на відміну від цих металів, цирконій називають рідкісним. Колись це пояснювалося великою неуважністю цирконієвих руд, труднощами вилучення цирконію, та ще й 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: "З рідкісних".