Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

• Название: О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
• Автор: Сергей Венецкий
• Издательство: Металлургия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1981

В научно-популярной форме автор рассказывает об истории открытия, свойствах и применении важнейших редких (в том числе и рассеянных) металлов.

Книга предназначена для самого широкого круга читателей: студентов, преподавателей, учащихся, специалистов — всех интересующихся историей и развитием металлургии, химии, материаловедения.

---

Осмий имеет рекордную плотность среди всех обитателей периодической системы — 22,5 г/см3. Чтобы уравновесить гирьку из этого металла, понадобилось бы более 40 таких же по объему гирек из его антипода-лития. Если обычную бутылку заполнить порошком осмия, то она будет тяжелее ведра с водой.

Но каким бы уникальным ни казалось это качество осмия, пока оно практически не используется в технике. В отличие от тугоплавкости, твердости, прочности и других действительно ценных свойств металлов, большая плотность не приносит лавров ее обладателю. Аналогию можно найти и в жизни: люди всегда ценили силу, быстроту, ловкость, а гигантский вес или рост человека лишь вызывают удивление и сомнительный интерес.

Впрочем, у осмия есть и такие деловые качества, которые не могут не внушить уважения к нему. Не случайно, он самый дорогой из всех благородных металлов, хоть и наименее «благородный» из них (вы уже знаете, что мелкораздробленный осмий не в силах противостоять кислороду воздуха даже при комнатной температуре, в то время как его «родственники» славятся прежде всего своей необыкновенной химической стойкостью). Тем не менее, если в 1966 году платина ценилась на мировом рынке в 4,3 раза дороже золота, а иридий в 5,3 раза, то аналогичный коэффициент для осмия был равен 7,5. Во многом виновата в этом природа, которая не только не накопила запасы осмия, но и ухитрилась так запрятать имеющиеся у нее крохи этого элемента (5 * 10-6 % массы земной коры), что добыча их влетает в копеечку. Если мировое производство большинства металлов исчисляется тысячами и даже миллионами тонн, то для осмия счет идет на килограммы.

Одно из главных достоинств осмия — его очень высокая твердость; в этом с ним могут конкурировать немногие металлы. Вот почему при создании сплавов с наивысшей износостойкостью в их состав вводят осмий. Авторучки с золотым пером — не редкость. Но ведь золото — довольно мягкий металл, а перу за долгие годы работы приходится по воле хозяина пройти по бумаге долгие километры пути. Конечно, бумага — не напильник и не наждак, однако выдержать такое испытание могут лишь немногие металлы. И все же кончики перьев справляются с этой трудной ролью. Как? Секрет прост: их обычно изготовляют из сплавов осмия с другими платиноидами, чаще всего из уже известного вам осмиридия. Без преувеличения можно сказать, что перу, «бронированному» осмием, сносу нет.

Исключительная твердость, хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление износу, отсутствие магнитных свойств делают осмиридий прекрасным материалом для острия компасной стрелки, осей и опор точнейших измерительных приборов и часовых механизмов. Из него изготовляют режущие кромки хирургических инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.

То, что осмий и иридий часто «выступают дуэтом» — в виде природного сплава, объясняется не только ценными свойствами осмиридия. но и волею судьбы, пожелавшей, чтобы в земной коре эти элементы были связаны необыкновенно прочными узами. В виде самородков ни тот, ни другой металл в природе не обнаружены, зато осмистый иридий и иридистый осмий — хорошо известные минералы (называются они соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором — осмий.

Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, но чаще входят в состав самородной платины. Разделение ее на компоненты (так называемый аффинаж) процесс, включающий множество стадий, на одной из которых осмиридий выпадает в осадок. И вот едва ли не самое сложное и дорогостоящее во всей этой «истории» — разлучить осмий и иридий. Но зачастую в этом и нет необходимости: как вы уже знаете, сплав широко применяют в технике, а стоит он значительно дешевле, чем, например, чистый осмий. Ведь для того, чтобы выделить этот металл из сплава, нужно провести столько химических операций, что одно их перечисление заняло бы много места. Конечный продукт длинной технологической цепи — металлический осмий чистотой 99,9 %.

Наряду с твердостью, известно еще одно достоинство осмия — тугоплавкость. По температуре плавления (около 3000 °C) он превзошел не только своих благородных собратьев — платиноидов, но и подавляющее большинство остальных металлов. Благодаря своей тугоплавкости осмий попал в биографию электрической лампочки: еще в те времена, когда электричество доказывало свое преимущество перед другим источником света — газом, немецкий ученый К. Ауэр фон Вельсбах предложил заменить в лампе накаливания угольный волосок осмиевым. Лампы стали потреблять в три раза меньше энергии и давали приятный, ровный свет. Но на этом ответственном посту осмий долго не продержался: сначала его сменил менее дефицитный тантал, однако вскоре и тот вынужден был уступить место самому тугоплавкому из тугоплавких — вольфраму, который по сей день несет свою огненную вахту.

Нечто подобное произошло с осмием и в другой сфере его применения-в производстве аммиака. Современный способ синтеза этого соединения, предложенный еще в 1908 году известным немецким химиком Фрицем Габером. немыслим без участия катализаторов. Первые катализаторы, которые использовались для этой цели, проявляли свои способности лишь при высоких температурах (выше 700 °C), да к тому же они были не очень эффективны. Попытки найти им замену долго ни к чему не приводили. Новое слово в совершенствовании этого процесса сказали ученые лаборатории Высшей технической школы в Карлсруэ: они предложили применять в качестве катализатора тонкораспыленный осмий. (Кстати, будучи весьма твердым, осмий в то же время очень хрупок, поэтому губку этого металла можно без больших усилий раздробить и превратить в порошок.) Промышленные опыты показали, что игра стоит свеч: температуру процесса удалось снизить более чем на 100 градусов, да и выход готовой продукции заметно возрос.

Несмотря на то что в дальнейшем осмию пришлось и здесь сойти со сцены (сейчас, например, для синтеза аммиака используют недорогие, но эффективные железные катализаторы), можно считать, что именно он сдвинул важную проблему с мертвой точки. Каталитическую деятельность осмий продолжает и в наши дни: применение его в реакциях гидрогенизации органических веществ дает отличные результаты. Этим в первую очередь обусловлен большой спрос на осмий со стороны химиков: на химические нужды расходуется почти половина его мировой добычи.

Элемент № 76 представляет немалый интерес и как объект научных исследований. Природный осмий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 184, 186–190 и 192. Любопытно, что чем меньше массовое число изотопа этого элемента, тем менее он распространен: если на долю самого тяжелого изотопа (осмия-192) приходится 41 %, то легчайший из семи «братьев» (осмий-184) располагает лишь 0,018 % общих «запасов». Поскольку изотопы отличаются друг от друга только массой атомов, а по своим физико-химическим «наклонностям» они весьма схожи между собой, то разделить их очень сложно. Именно поэтому даже «крохи» изотопов некоторых элементов стоят баснословно дорого: так, килограмм осмия-187 оценивается на мировом рынке в 14 миллионов долларов. Правда, в последнее время ученые научились «разлучать» изотопы с помощью лазерных лучей, и есть надежда, что вскоре цены на эти «товары неширокого потребления» будут заметно снижены.

Подобно другим платиновым металлам, осмий проявляет несколько валентностей. Наиболее часто встречаются соединения, где осмий четырех- и шестивалентен, однако при взаимодействии с кислородом он обычно «пускает в ход» все восемь своих валентных связей.

Из соединений осмия наибольшее практическое значение имеет его четырехокись (да-да, та самая, которой элемент так «обязан» своим названием). В роли катализатора она выступает при синтезе некоторых лекарственных препаратов. В медицине и биологии ее используют как окрашивающее средство при микроскопическом исследовании животных и растительных тканей. Следует помнить, что безобидные на вид бледно-желтые кристаллы четырехокиси осмия — сильный яд, раздражающий кожу и слизистые оболочки, вредно действующий на глаза.

Примечательна особенность четырехокиси осмия: ее растворимость в органических жидкостях значительно выше, чем в воде. Так, при обычных условиях в стакане воды растворяется всего 14 граммов этого вещества, а в стакане четыреххлористого углерода более 700 граммов.

В атмосфере серных паров порошок осмия вспыхивает, как спичка, образуя сульфид. Всеядный фтор при комнатной температуре не причиняет осмию никакого «вреда», но при нагреве до 250–300 °C образуется ряд фторидов. С тех пор как в 1913 году впервые были получены два летучих фторида осмия, считалось, что их формулы OsF6 и OsF8. Но в 1958 году выяснилось, что фторид OsF8, почти полвека «проживший» в химической литературе, на самом деле никогда не существовал, а указанные соединения соответствуют формулам OsF5 и OsF6. Сравнительно недавно ученым удалось получить еще один фторид OsF7, который при нагреве выше 100 °C распадается на OsF6 и элементарный фтор.