Металл космического века

Металл космического века

Сказки превращаются в быль

Бериллий - один из самых замечательных элементов, огромного теоретического и практического значения.

...Овладение воздухом, смелые полеты самолетов и стратостатов невозможны без легких металлов; и мы уже предвидим, что в помощь современным металлам авиации-алюминию и магнию - придет и бериллий.

И тогда наши самолеты будут летать со скоростью в тысячи километров в час.

За бериллием будущее!

Геохимики, ищите новые месторождения. Химики, научитесь отделять этот легкий металл от его спутника - алюминия. Технологи, сделайте легчайшие сплавы, не тонущие в воде, твердые, как сталь, упругие, как резина, прочные, как платина, и вечные, как самоцвет...

Может быть, сейчас эти слова кажутся сказкой. Но как много сказок на наших глазах превратилось в быль, влилось в наш простой домашний обиход, а мы забываем, что еще 20 лет тому назад наши радио и звуковое кино звучали фантастической сказкой".

Так писал несколько десятилетий назад крупнейший советский ученый академик А. Е. Ферсман, уже тогда сумевший по достоинству оценить значение бериллия.

Да, бериллий - это металл будущего. И в то же время в Периодической системе найдется немного элементов, история которых, подобно истории бериллия, уходит в далекое-далекое прошлое.

Изумрудные копи царицы Клеопатры

...Свыше двух тысячелетий назад в безводной пустыне Нубии, где находились знаменитые изумрудные копи царицы Клеопатры, рабы добывали чудесные кристаллы зеленого камня. Караваны верблюдов доставляли изумруды к берегам Красного моря, а оттуда они попадали во дворцы властителей стран Европы, Ближнего и Дальнего Востока - византийских императоров, персидских шахов, китайских богдыханов, индийских раджей.

Хобби римского императора

"Он зелен, чист, весел и нежен..."

Великолепным блеском, чистотой окраски, красотой игры - то густозеленый, почти темный, то сверкающий ослепительной зеленью - изумруд во все времена пленял человека. Римский император Нерон любил смотреть через большой кристалл изумруда на бои гладиаторов. "Он зелен, чист, весел и нежен, как трава весенняя..." - писал об изумруде А. И. Куприн.

Сокровища мексиканских могил

Тайна инков

С открытием Америки в историю зеленого камня была вписана новая страница. В могилах и храмах Мексики, Перу, Колумбии испанцы обнаружили громадные количества крупных темно-зеленых изумрудов. За несколько лет испанцы разграбили эти сказочные богатства. Найти же место, где добывался чудесный самоцвет, им долго не удавалось. И только в середине XVI столетия завоеватели Америки сумели, наконец, овладеть тайной инков и проникнуть к сокровищам изумрудных копей Колумбии.

Внезапная ревизия

Редкий по красоте колумбийский изумруд царил в ювелирном деле до XIX века. В 1831 году уральский смолокур Максим Кожевников, собирая валежник в лесу близ небольшой речушки Токовой, нашел первый русский изумруд. Крупные ярко-зеленые изумруды Урала быстро получили признание ювелиров всего мира.

Уникальный камень возвращается в Россию

В 1834 году на одном из уральских приисков был найден громадный красивый изумруд весом 2 килограмма 226 граммов. Будучи не в силах расстаться со сказочным камнем, "командир" Екатеринбургской гранильной фабрики Каковин не стал афишировать это событие, а постарался понадежнее спрятать изумруд. Но, видимо, слухи об уникальной находке дошли до Петербурга. Во всяком случае оттуда неожиданно нагрянула ревизия. Камень нашли и увезли в столицу, а "командира" посадили в тюрьму, где он покончил жизнь самоубийством. (Следует отметить, что последние работы историков говорят о непричастности Каковина к попыткам утаить изумруд.

Хобби римского императора

"Зеленое утро и кровавый вечер"

В Петербурге камень также не попал в государственную казну. Сначала он "погостил" у графа Перовского, затем перекочевал к князю Кочубею. В 1905 году, после разгрома имения Кочубеев, изумруд оказался в Вене, где его за большие деньги приобрело русское правительство. Сейчас чудо-камень украшает коллекцию Минералогического музея Академии наук СССР в Москве.

Изумруд - один из многих минералов бериллия. Голубовато-зеленый, цвета морской воды аквамарин и вишнево-розовый воробьевит, винно-желтый гелиодор и желтовато-зеленый берилл, чистейшей воды фенакит и нежный синий эвклаз, прозрачный зеленый хризоберилл и его удивительная разновидность александрит - густо-зеленый днем и малиновый при искусственном освещении ("зеленое утро и кровавый вечер" - образно описал его Н. С. Лесков) - вот лишь некоторые, но, пожалуй, наиболее именитые представители семейства бериллиевых самоцветов.

Джильда ищет бериллий

В последнее время в печати довольно часто стали появляться сообщения о поиске полезных ископаемых с помощью... собак. Умение наших четвероногих друзей находить -что-либо по запаху известно с древности. Но каковы их "геологические способности"? Какие . минералы могут отыскать лохматые "рудознатцы"? "Ответить на этот вопрос нам помогла коллекция Минералогического музея Академии наук СССР, - рассказывает доктор биологических наук Г. А. Васильев - инициатор нового направления в разведке спрятанных в земле природных кладов.-Особенно эффективным оказался опыт с металлическим бериллием: понюхав его, собака по кличке Джильда затем из множества минералов выбрала изумруд, аквамарин, воробьевит, фенакит, бертрандит, т. е. все то и только то, что содержит бериллий. Разложив все бериллийсодержащие минералы среди других образцов и дав их выбрать собаке, мы снова просили собаку искать. Тогда Джильда шла по музею, ложилась грудью на витрину, где находился огромный изумруд, и лаяла".

Из всех бериллиевых минералов промышленное значение имеет лишь берилл. В природе встречаются кристаллы-гиганты берилла: вес их достигает десятков, сотен и даже тысяч килограммов. Длина наиболее крупного из найденных кристаллов - около 9 метров.

"Раненый" экспонат

В Горном музее в Ленинграде есть интересный экспонат - полутораметровый кристалл берилла. В блокадную зиму 1942 года вражеский снаряд пробил крышу здания и разорвался в главном зале. Осколки серьезно повредили кристалл, и казалось, что ему уже не найдется места в экспозиции музея. Но несколько лет назад после кропотливой ювелирной работы художников-реставраторов камень был восстановлен в первоначальном виде. Сейчас о пережитой им операции напоминают лишь два поржавевших снарядных осколка, вмурованных в пластину из органического стекла, да пояснительная табличка, рассказывающая об этом экспонате.

Не удивительно, что бериллиевые камни-самоцветы издавна привлекали внимание не только любителей драгоценностей, но и химиков.

В XVIII веке, когда науке еще не был известен элемент, находящийся сейчас в Периодической системе под номером 4, многие ученые пытались анализировать берилл, однако никто не смог обнаружить содержащийся B нем новый металл. Он словно прятался за спину алюминия и его соединений - свойства этих элементов были поразительно схожими. Но различия все же были. И первым, кому удалось их заметить, был французский химик Луи Никола Воклен. 26 плювиоза VI года, революционного календаря (т. е. 15 февраля 1798 года) на заседании французской Академии наук Воклен сделал сенсационное сообщение о том, что в берилле и изумруде содержится новая "земля", отличная по своим свойствам от глинозема, или окиси алюминия.

Сенсационное сообщение Воклена

Открытый элемент Воклен предложил назвать "глицинием" из-за сладковатого привкуса его солей (по-гречески "гликос" - сладкий). Сейчас это название сохранилось лишь во Франции, а в других странах за элементом закрепилось имя "бериллий", которое было предложено известными химиками М. Клапротом и А. Экебергом.

Сенсационное сообщение Воклена

Сходство бериллия и алюминия доставило немало хлопот создателю Периодической системы элементов Д. И. Менделееву. Дело в том, что в середине XIX века бериллий именно из-за этого сходства считался трехвалентным металлом с атомным весом 13,5 и, следовательно, должен был занимать в таблице место между углеродом и азотом. Это вносило явную путаницу в закономерное изменение свойств элементов и ставило под сомнение правильность Периодического закона. Менделеев, убежденный в своей правоте, считал, что атомный вес бериллия определен неверно, что элемент должен быть не трехвалентным, а двухвалентным с магнезиальными свойствами. На основании этого он поместил бериллий во вторую группу, исправив его атомный вес на 9. Вскоре это вынуждены были подтвердить шведские химики Л. Нильсон и О. Петерсон, которые ранее были твердо убеждены в трехвалентности бериллия. Их тщательные исследования показали, что атомный вес этого элемента равен 9,1. Так, благодаря бериллию - "возмутителю спокойствия" в Периодической системе - восторжествовал один из важнейших химических законов.

"Возмутитель, спокойствия"

Судьба этого элемента во многом сходна с судьбами его собратьев-металлов. В свободном виде он был выделен в 1828 году Ф. Вёле-ром и А. Бюсси, но лишь спустя семь десятилетий француз П. Лебо электролизом расплавленных солей смог получить чистый металлический бериллий. Не мудрено, что еще в начале нашего века химические справочники безапеляционно обвиняли бериллий в "тунеядстве": "Практического применения не имеет".

Тяжкое обвинение

Бурное развитие науки и техники, которым ознаменовался XX век, заставило химиков пересмотреть этот явно несправедливый приговор. Изучение чистого бериллия показало, что он обладает многими ценными свойствами.

В космос!

Один из самых легких металлов, бериллий характеризуется в то же время значительной прочностью, большей чем у конструкционных сталей. Наряду с этим он отличается значительно более высокой температурой плавления, чем магний и алюминий. Такое удачное сочетание свойств делает бериллий сегодня одним из основных авиационных материалов. Детали самолета, изготовленные из бериллия, в полтора раза легче, чем алюминиевые.

"Приговор" пересмотрен

Отличная теплопроводность, высокая теплоемкость и жаропрочность дают возможность использовать бериллий и его соединения в космической технике в качестве теплозащитного материала. По сообщениям американской печати, из бериллия были выполнены носовой корпус и днище кабины космического корабля "Фрэндшип-7", на котором Джон Глен совершил свой орбитальный полет.

В космос!

Бериллиевые детали, сохраняющие высокую точность и стабильность размеров, используются в гироскопах - приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников земли.

Для космической техники перспективно еще одно свойство бериллия: при его горении выделяется огромное количество тепла - 15000 килокалорий на 1 килограмм. Поэтому он может служить компонентом высокоэнергетического ракетного горючего в полетах на Луну и другие небесные тела.

Широкое применение в авиации находят сплавы меди с бериллием - бериллиевые бронзы. Из них изготавливают многие изделия, от которых требуются большая прочность, хорошая сопротивляемость усталости и коррозии, сохранение упругости в значительном интервале температур, высокая электро - и теплопроводность. Подсчитано, что в современном тяжелом самолете свыше тысячи деталей сделано из этих сплавов. Благодаря своим упругим свойствам бериллиевая бронза служит прекрасным пружинным материалом. Пружины из такой бронзы практически не знают усталости: они способны выдерживать до 20 миллионов циклов нагрузки!

Странный заказ

Кстати, именно с пружинами связан любопытный эпизод из истории второй мировой войны. Гитлеровская промышленность была отрезана от основных источников бериллиевого сырья. Мировая добыча этого ценного стратегического металла практически полностью находилась в руках США. И немцы пошли на хитрость. Они решили использовать нейтральную Швейцарию для контрабандного ввоза бериллиевой бронзы: американские фирмы получили от швейцарских "часовщиков" заказ на такое ее количество, которого хватило бы на часовые пружины всему миру лет на пятьсот вперед. Хитрость, правда, была разгадана, и этот заказ остался невыполненным. Но все же время от времени в новейших марках скорострельных авиационных пулеметов, поступавших на вооружение фашистской армии, появлялись пружины из бериллиевой бронзы.

Усталость - одно из "профессиональных заболеваний" многих металлов и сплавов, которые, не выдерживая переменных нагрузок, постепенно разрушаются. Добавка же в сталь даже небольшого количества бериллия "как рукой снимает" усталость. Если автомобильные рессоры из обычной углеродистой стали ломались уже после 800-850 тысяч толчков, то после введения в сталь "витамина Ве" рессоры выдерживали 14 миллионов толчков, не обнаруживая и следов усталости.

Усталость - одно из 'профессиональных заболеваний' многих металлов и сплавов

Взрыва не будет

В отличие от стали, бериллиевая бронза не искрится при ударе о камень или металл, поэтому ее широко используют для изготовления инструмента, применяемого на взрывоопасных работах - в шахтах, на пороховых заводах, нефтебазах.

Бериллий существенно влияет на свойства магния. Так, присадка лишь 0,01% бериллия предотвращает возгорание магниевых сплавов при плавке и разливке (т. е. примерно при 700°С). Резко уменьшается при этом и коррозия сплавов - как на воздухе, так и в воде.

Теплоизоляционные свойства окиси бериллия, возможно, будут использованы и при исследовании глубинных слоев нашей планеты

Большое будущее принадлежит, по-видимому, сплавам бериллия с литием. Союз этих двух легчайших металлов приведет, быть может, к созданию сплавов, не тонущих в воде. Бериллий является и отличным раскислителем стали, правда, к сожалению, пока еще слишком дорогим (цена 1 килограмма бериллия в США составляет сейчас около 150 долларов, что значительно превышает стоимость тантала, ниобия, циркония, не говоря уже о таком сравнительно недорогом металле, как серебро).

Металлурги нашли бериллию еще одно важное применение. Насыщение этим металлом поверхности стальных изделий - "бериллизация" - значительно повышает их твердость, прочность, износостойкость.

Весьма благосклонны к бериллию рентгенотехники - ведь он лучше всех других устойчивых на воздухе металлов пропускает рентгеновские лучи. Сейчас из него во всем мире делают "окна" для рентгеновских трубок. Пропускная способность таких "окон" в 17 раз выше, чем алюминиевых, применявшихся ранее для этой цели.

Союз легчайших

Бериллий сыграл заметную роль в развитии учения о строении атома и его ядра. Еще в начале 30-х годов немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, бомбардируя бериллий альфа-частицами, обнаружили так называемое "бериллиевое излучение" - очень слабое, но обладающее значительной проникающей силой: лучи проходили через слой свинца толщиной несколько сантиметров. Природу этого излучения установил в 1932 году англичанин Д. Чэдвик. Оказалось, что оно представляет собой поток электрически нейтральных частиц, масса которых примерно равна массе протона. Новые частицы были названы нейтронами.

Важное открытие

Отсутствие электрического заряда позволяет нейтронам легко внедряться в ядра атомов других элементов. Это свойство сделало нейтрон эффективнейшим "снарядом" атомной артиллерии. Сейчас нейтронные пушки широко применяются для осуществления ядерных реакций.

Нейтроны замедляют бег

Изучение атомной структуры бериллия показало, что для него характерно малое сечение захвата нейтронов и большая величина их рассеяния. Благодаря этому бериллий рассеивает нейтроны, изменяет направление их движения и замедляет их скорость до таких значений, при которых цепные реакции протекают более эффективно. Из всех твердых материалов бериллий считается лучшим замедлителем нейтронов. Прекрасно справляется он с ролью отражателя нейтронов, возвращает их в активную зону реактора, противодействует их утечке. Ему присуща также высокая радиационная стойкость, сохраняющаяся при очень больших температурах.

Все эти замечательные свойства делают бериллий одним из самых необходимых элементов атомной техники.

Звук бьет рекорды

Несомненный интерес для науки представляет "звукопропускная" способность этого металла. В воздухе скорость звука составляет 330 метров в секунду, в воде-145 метров в секунду. В бериллии же звук побивает все рекорды, преодолевая за секунду 12500 метров.

Многими ценными свойствами обладает окись бериллия. Высокая огнеупорность (температура плавления 2570°С), значительная химическая стойкость и большая теплопроводность позволяют использовать этот материал для футеровки индукционных печей, изготовления тиглей для плавки различных металлов и сплавов. Так, для выплавки бериллия в вакууме применяют тигли только из окиси бериллия, которая с ним абсолютно не взаимодействует. Этот окисел служит основным материалом для оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов) атомных реакторов.

Атомная "игла"

Теплоизоляционные свойства окиси бериллия, возможно, будут использованы и при исследовании глубинных слоев нашей планеты. Существует проект взятия проб из мантии Земли с глубин до 32 километров с помощью так называемой "атомной иглы", представляющей собой миниатюрный атомный реактор, который заключен в теплоизолирующий футляр из окиси бериллия.

...Сбылись пророческие слова замечательного ученого и мечтателя А. Е. Ферсмана. Совсем немного времени понадобилось бериллию, чтобы оправдать возлагаемые на него надежды. . Из малоизвестного редкого элемента он превратился сегодня в один из важнейших металлов XX века.