Глава XV. Легче пробки (Литий)

Вспомним о металле литии. 
Ведь его удельный вес 0,53, 
то есть как у пробки.

А. Е. Ферсман

Век научно-технической революции задает темп всей нашей жизни. Мы научились быстро ходить и с первого урока устного счета учимся быстро соображать. И все же, как это ни парадоксально, не менее важно научиться постигать и медленно... Огромная раковина зала консерватории фокусирует звуки концерта в каждой ушной раковине, и нас заполняет закодированное в музыку ощущение жизни, пережитой Бахом и Бетховеном, Моцартом и Шопеном. Ощущение, переданное нам в ритме и темпе, свойственном их веку. Наше дело настроиться на этот темп...

В полотнах великих живописцев языком красок выражены, словно сфокусированы в полихромных линзах, истины жизни и гармонии. Мы только должны уловить из всех бесчисленных вариантов их восприятия созвучный и понятный нам: в голубых, розовых и алых красках Возрождения или в сплетении мимолетностей солнечных бликов, пойманных на полотнах художников-импрессионистов... Или настроиться торжественно в лад чистым краскам и плавным ритмам старинных художников-иконописцев Москвы, Пскова, Новгорода...

И почти так же точно, так же внутри единой симфонии звуков, красок и форм чувствует себя минералог, сосредоточенно уйдя в жизнь камней, непосредственно на месте их возникновения, там, где природа более всего щедра и откровенна. Но сколько бы месторождений ни удалось увидеть на своем веку, нельзя перестать изумляться тому, что на каждом из них все минералы как-то удивительно сливаются в общую гармоничную гамму, все, даже такие пронзительные, как диоптаз: изумрудно-зеленый диоптаз Заира соседствует с бирюзово-голубым, не менее ярким, каламином, и оба они как-то уравновешиваются оранжевым вульфенитом и еще, конечно... ослепительным африканским солнцем...

Совсем другая, приглушенная мелодия красок раскрывается под ласковым небом юга Украины, мелодия пегматитов: ее ведут золотисто-розовые топазы, им вторят золотисто-зеленые бериллы и золотисто-коричневый кварц - здесь все согласно, как в оркестре, где каждый инструмент на свой лад ведет партию в общей мелодии.

Если пегматиты Украины хочется сравнить с нежными сонатами Шопена, то только с радостной гармонией музыки Моцарта перекликаются переливающиеся, как перламутровая раковина, краски, бесконечно изящные формы минеральных чудес пегматитов солнечного Казахстана. Здесь, словно в концертном зале, словно перед полотнами гениального художника, приникаешь к вечному. Сосредоточиться и вникнуть в темп природы, ритмы роста кристаллов - вот задача!

Гармония красок в минералах этих пегматитов строится на игре, на переливах и переходах: голубые тонкие струи огромного, как фонтан, сростка бериллов начинаются с бледно-голубого, потом белеют и светлеют, а концы кристаллов становятся из белых бледно-розовыми. Тонкие сиренево-розовые призмочки турмалинов окаймлены светлой зеленью. Окраска кристаллов полихромного турмалина меняется зонами: то вдоль кристалла, то поперек, а иногда - в одном кристалле и в целом сростке не меняется вовсе, ведь сросток турмалина словно розовая астра, а рядом, в каких-то 20 м, "распустились" зеленовато-голубые лучистые венчики - и это тоже турмалин. Турмалин с примесью лития и марганца. Марганец здесь главный живописец.

Но один из самых ценных компонентов - литий.

Впрочем, в турмалине количество лития не превышает первых процентов, турмалин здесь как яркая стрелочка, указывающая на светлые, белые, не очень-то различимые минералы лития: петалит, сподумен, амблигонит и на единственный рудный минерал редчайшего щелочного металла цезия - поллуцит.

Среди металлов сегодняшнего дня особое место занимает весьма своеобразный элемент - литий. Незаурядные качества выдвигают его на первые призовые места среди металлов: литий первый по легкости - он в 5 раз легче алюминия ив 15 раз легче железа, первый по удельной теплоемкости, первый в ряду напряжения металлов. На вид это довольно обычный металл - серебристо-белый с ярким блеском, правда, очень мягкий (режется ножом!). Увидеть подлинный облик лития можно только в вакууме или в масле: на воздухе он активно соединяется с азотом и кислородом и покрывается белой пленкой.

Лепидолит

Естественно, уникальные свойства лития и его положение в периодической системе Менделеева влияют на облик его природных соединений. Тут литий держит еще одно первенство, как самый литофильный из химических элементов. Когда знаменитому шведскому химику И. Я. Берцелиусу ученый А. Арфведсон показал новый щелочный элемент, только что полученный из петалита - белого, похожего на полевой шпат камня, Берцелиус предложил назвать новую щелочь литионом. Со временем это имя трансформировалось в более короткое - литий. Берцелиус очень точно угадал и каменную душу элемента: большинство минералов лития - аналоги самых распространенных породообразующих минералов, таких, как пироксены и амфиболы, слюды и хлориты. Кристаллическая структура большинства минералов лития аналогична структуре их породообразующих аналогов, только место железа в них занимает литий. Основной рудный минерал лития - пироксен сподумен.

Сподумен в породе

Сростки кристаллов светло-серого, розоватого, а иногда зеленоватого или серо-желтого литиевого пироксена в руде напоминают порой свалы досок - кристаллы в них плоские, часто сужаются к одному концу и обычно неровно, как щепки, обломаны в торце. Да и по размеру они часто не уступают доскам, а бывают и больше. Например, их длина достигает в пегматитах Дакоты (США) 12 м. Со сподуменом в пегматитах часто соседствует изученный А. Арфведсоном петалит, напоминающий полевой шпат не только внешним видом, но и структурой. Рядом видишь обычно сиреневую слюду лития - лепидолит. Тонкие сиреневые чешуйки лепидолита срастаются в сплошной слюдистый агрегат, пронизывают кристаллы полевого шпата и кварца. Они-то, собственно, и создают неповторимый колорит этих пегматитов. Но особенно эффектны лепидолитовые розетки с их изогнутыми лепестками и затейливые скорлуповатые шары, получившие название по фамилии русского горного инженера Е. Н. Барбота де Марни "барботовы глазки".

Сподумен (кристалл)

Прозрачные разновидности сподумена - голубовато-зеленый и светло-зеленый гидденит и сиренево-розовый кунцит - это уже не руда, а драгоценные камни. Их окраски нежны и своеобразны. Если смотреть в торец кристалла, то сиренево-розовый цвет его интенсивный и живой; если же взглянешь на кристалл, лежащий плашмя, цвет его словно тает на глазах. Это явление - плеохроизм - проявляется у сподумена очень ясно. Но огранщики изучили фокусы камня и гранят его, поставив торцом. Розовая окраска кунцита, как и окраска розового турмалина, вызывается примесью марганца, причем очень незначительной: 0,6-0,4%.

Тяжелый белый или светло-серый фосфат лития - амблигонит LiAlPO₄[PO₄](OH) - образует в пегматите крупные гнезда с темно-серой оторочкой позднего железисто-марганцовистого литиевого фосфата трифилина. Характерно, что активный, энергичный литий не довольствуется своими 25 минералами и при первой возможности "забивается" в кристаллические решетки таких породообразующих минералов, как полевые шпаты, пироксены, и прежде всего слюды, вытесняя калий и натрий.

Мы знаем 25 собственных минералов лития, но промышленность использует пока только пять из них: прежде всего сподумен и петалит, а иногда лепидолит, амблигонит и тонкочешуйчатую темно-серую литиевую слюду циннвальдит. Циннвальдит добывают в Циннвальде, в Рудных горах, где он часто сопровождает минералы олова и вольфрама в грейзенах.

Гидденит и кунцит

Литий добывают также из природных рассолов - рапы соляных озер (наряду с солями калия, натрия и магния). В последние годы литий добывают из подземных рассолов в хребте Сильвер Пик (штат Невада, США) и из так называемых саларов. Салары - это бессточные солончаковые котловины. Они есть в Атакаме (Чили) и в Боливии. Очень богаты салары литием. Но это богатство латиноамериканских стран добывают фирмы США.

Уникальность свойств лития открывает возможность его применения в весьма специфических условиях. Известно, что при соединении ядер тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - высвобождается колоссальная энергия. Эта термоядерная реакция лежит в основе водородной бомбы. Реакция проходит при колоссальной температуре и в жидкой среде. Вещество, жидкое при такой температуре,- это дейтерид лития-6. Кроме того, легкий изотоп лития (литий-6) является единственным промышленным источником второго компонента реакции - самого дефицитного изотопа водорода - трития (бомбардировка лития-6 нейтронами приводит к возникновению трития и инертного газа гелия), так что в реакции термоядерного синтеза литий-6 играет "первую скрипку". Много лет ученые во всем мире, и особенно в нашей стране, работают над тем, чтобы сделать термоядерную реакцию управляемой. Решение этой проблемы позволило бы решить энергетическую проблему. Пока же работу разного рода выполняет в основном второй и значительно более распространенный изотоп лития - литий-7. Литий может служить прекрасным теплоносителем в мирных ядерных реакторах, большая разница между температурой плавления и кипения позволяет литию оставаться жидкостью в очень широком диапазоне температур.

И еще одно весьма современное свойство отличает литий: необычайно высокая теплотворная способность открывает перспективы использования лития как ракетного топлива на сверхдальних космических трассах.

А нет ли у лития более земной, повседневной работы? Есть. Высокая реакционная способность, сродство к водороду, азоту, кислороду позволяют литию проявить прекрасные качества дегазатора и раскислителя черных и цветных металлов. Сплав лития со свинцом - банметалл, изобретенный взамен более дефицитного олова, служит хорошим антифрикционным материалом. Алюминию литий придает повышенные антикоррозийные и механические свойства, а сверхлегкий, плавающий на воде сплав лития с магнием - мечта авиаконструктора.

Карбонат лития в алюминиевой промышленности применяется при получении металлического алюминия методом электролиза криолито-глиноземного расплава и особенно при рафинировании алюминия - получении алюминия высокой частоты. Введение (непосредственно в электролизную ванну) 4-5%-ной добавки карбоната лития в состав промышленного электролита, содержащего 75-90% криолита, 5-12% фторида алюминия, 1-10% глинозема и 2-10% (обычно 2-3%) флюорита, дает такой эффект: производительность электролиза повышается на 7-10%, расход электроэнергии при этом понижается на 10%, а расход соединений фтора сокращается на 25%. Это очень важно, если помнить, как разрушителен фтор: его отходы в атмосферу губительны для растений и животных.

Настоящую революцию вызвало применение лития в керамике. Изделия из литиевой керамики не изменяются в объеме при любых скачках температуры: коэффициент ее термического расширения-нуль! Поэтому из литиевой керамики изготовляют такие ответственные жаростойкие детали, как сопла турбин реактивных двигателей. Делают такую керамику главным образом из петалита: в этом минерале количества и лития и кремния таковы, будто природа готовила их по заданному рецепту.

Поллуцит (кристалл)

Интересные области применения находят и другие неметаллические соединения лития. Современная химия разработала колоссальный спектр различных полимеров, подчас не уступающих, а часто превосходящих по свойствам такие традиционные материалы, как сталь, латунь, стекло. Но разрешить проблему соединения к этих материалов с металлами и между собой - задача сложная. "Ядерным клеем" здесь служат соединения лития. Гидрид лития - белое кристаллическое вещество - спас жизнь многим морякам и летчикам, потерпевшим аварию в море. Количество водорода, вырабатываемое этим соединением, столь велико, что одна-две таблетки при соединении с водой мгновенно наполняют газом плавучие средства-спасательные жилеты, плотики, сигнальные шары.

Органические соединения лития типа стеарита составляют основу смазочных материалов, надежно работающих на морозе при температуре -60°С и на жаре при +160°С. Идеальная смазка для вездеходов, бороздящих Арктику, Африку и Антарктику! Не обходится без лития и современная астрономия - линзы из монокристалла фтористого лития прозрачны не только для лучей видимого спектра, но и для ультрафиолетовых лучей. И еще литий радует нас с вами каждый праздник, когда вечернее небо расцветает огнями салюта: яркие сине-зеленые звездочки - огни сгорающих солей лития.

Золотисто-солнечный полужидкий металл цезий, живущий обычно в запаянных стеклянных капсулах, тоже мог бы лидировать в группе редких металлов, но совсем в других областях. Это первый элемент, открытый путем спектрального анализа. Собственно, и свое название он получил по небесно-голубому цвету характерных для него спектральных линий (по-латыни "цезиус" - небесно-голубой).

Цезий - второй по легкоплавкости металл после ртути (его температура плавления +28,5°С). Но главную роль в его судьбе играет очень большой ионный радиус, не позволяющий цезию занять место в кристаллических решетках металлов, поэтому цезий - рекордсмен по малочисленности природных соединений. Если литий образует 25 минералов, цирконий - около 30, бериллий - 43, а ниобий и тантал - около 90, то цезий концентрируется почти исключительно в одном алюмосиликате - поллуците^*, рыхлый каркас которого выдерживает его "громоздкие" ионы. Этот полупрозрачный или молочно-белый минерал чрезвычайно похож на кварц, на белый полевой шпат, а еще больше - на бесцветный берилл, и отличить его можно разве по обилию трещинок, по специфическим тонким серо-сиреневым прожилкам лепидолита, да по характерному искрящемуся блеску. Вместе со сподуменом, петалитом и лепидолитом поллуцит встречается в литиевых пегматитах в виде угловатых глыб-блоков между другими минералами. Плохо образованные кубические кристаллы были встречены только в пустотках пегматитов на острове Эльба, где они росли вместе с призматическими, тоже полупрозрачными и бесцветными кристаллами петалита касторита (там эти очень похожие минералы и получили свои имена в честь мифических близнецов Поллукса и Кастора).

^* (Второй цезийсодержащий минерал - авогадрит - образует лишь тонкие порошковатые возгоны при извержениях вулканов.)

Поллуцит в породе

Исключительно высокая реакционная способность цезия (на воздухе он немедленно самовоспламеняется) позволяет использовать его при изготовлении газопоглотителей для удаления последних следов воздуха из вакуума в приборах.

Но главное свойство элемента цезия, нашедшее ему применение в современной технике,- необычайная чувствительность к свету и даже к инфракрасным и ультрафиолетовым лучам. Благодаря этому цезий широко используется в фотоэлементах.

Ученые объясняют чуткость цезия к свету так: благодаря самым большим размерам атома и низкому заряду ядра (цезий одновалентен) он имеет самое малое значение потенциала ионизации из всех химических элементов. Именно это свойство цезия используется в фотоэлементах (цезий ионизируется любым излучением, даже инфракрасным, не говоря уже о видимом свете). По той же причине цезиевая плазма является самой низкотемпературной и используется в качестве "затравки" в плазменных магнитогидродинамических (МГД) генераторах, работающих в основном на поташе (K₂CO₃). Сейчас у нас (в Рязани) началось строительство первой мощной промышленной МГД-установки для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (с очень высоким КПД). В ближайшем будущем МГД-генераторы получат, несомненно, широкое развитие, позволяя экономить обычное энергетическое топливо.

Словом, потребность техники в цезии так стремительно растет из года в год, что геологи опасаются, сможет ли один поллуцит удовлетворить их.