Глава XVI. Дождавшиеся звездного часа (Цирконий, тантал, ниобий)

В камне натянуты жилы пружин,-	
Мой камень не спит.

И. Зиедонис

Для того чтобы металл получил подлинное признание, необходим его тесный союз с техникой. Но наивно было бы думать, что, как только ученый приносит в мир техники новый металл, конструкторы сразу находят применение его необыкновенным свойствам.

Тугоплавкий (температура плавления больше +3000°C), кислотоупорный и высокопрочный металл тантал был открыт в 1802 г. (по признанию его первооткрывателя А. Экеберга, с "танталовыми муками"), а получен в чистом виде только спустя столетие. Еще более полувека "пылился" тантал на полочке чистой науки, пока сверхтехника нашего времени не потребовала от материалов сверхвозможностей. К примеру, сопла ракет и межпланетных кораблей выбрасывают раскаленные газы, температура которых достигает +3300°С. Для охлаждения их в полете применяются так называемые криогенные жидкости - вещества, основу которых составляют расплавленные щелочи. Перепад температуры в процессе охлаждения составляет 1425°С. И все же нашлось вещество, способное стабильно работать и в этом аду - карбид тантала. Есть у карбида тантала и отличное земное ремесло: сверхтвердые сплавы для металлорежущих инструментов. Скорость обработки металла на станках, оснащенных подобным инструментом, повышается на порядок.

И все же тантал стремится в небо! Танталовые конденсаторы в радиоаппаратуре ракет и спутников имеют микроминиатюрные размеры, а в полете весит и иголка! Проблема дальнейшего уменьшения современных транзисторов целиком зависит от использования танталовых конденсаторов. В этой области тантал вне конкуренции.

И еще одно необычайное свойство обнаруживает этот удивительный металл: он сживается с тканями организма! Танталовыми нитями можно сшивать сухожилия, нервы, сосуды, на танталовую сетку наращивается живая мускульная ткань, из тантала моделируют кости черепа и позвоночника.

Тантал не подвержен коррозии ни в кислоте, ни в щелочи. Лучшего конструкционного материала и не могли бы пожелать создатели химической аппаратуры, или аппаратуры для получения синтетического волокна.

Во всех природных соединениях тантала вместе с ним присутствует и его "двойник" - ниобий. Виднейшие химики XIX в. (Берцелиус, Экеберг и др.) около 40 лет сомневались - имеют ли они дело с одним или с двумя элементами. Поэтому элемент периодической системы № 41 больше века имел два названия: Колумбии, данное ему первооткрывателем Чарлзом Гатчеттом (ниобий, содержащий минерал колумбит, был привезен из Америки), и ниобий, полученное от Генриха Розе при втором рождении элемента 43 года спустя. Розе сумел убедить научный мир в существовании двух сходных, но самостоятельных элементов.

По идее Розе, название "ниобий" подчеркивало родственное отношение элемента с танталом, равно как и горестную судьбу металла, который так долго не мог обрести самостоятельность (в античной мифологии страдалица Ниобея, потерявшая в течение одного дня шестерых сыновей и шестерых дочерей, приходилась родной дочерью титану Танталу).

Лишь в 1950 г. Международный союз чистой и прикладной химии утвердил за элементом название "ниобий", оставив название "колумбит" за минералом, в котором он впервые был установлен.

Но сложная судьба ниобия, то вовсе не имевшего имени, то получившего сразу два, не изменилась с его вторичным и окончательным рождением. Оказалось, что при всей близости свойств ниобий всегда несколько уступает своему двойнику: температура его плавления высока (+2460°С), но ниже, чем у тантала, устойчивость против агрессивных химических реагентов и биологических сред велика, но меньше, чем у тантала.

Нашлись, однако, и у ниобия преимущества перед танталом: в природе его почти в 10 раз больше, чем тантала, значит, он гораздо дешевле, а кроме того, он в 2 раза легче тантала. Теперь металлургия, которой тантал несколько "не по карману", применяет ниобий для легирующих добавок. Небольшие - всего 0,03-0,1% - добавки ниобия не только придают стали антикоррозийные свойства, термостойкость, жаропрочность, но и резко улучшают ее механические характеристики, повышая прочность и вязкость. Особенно ценно это при изготовлении труб большого диаметра для нефте- и газопроводов, ведь таким трубам приходится выдерживать большие внутренние напряжения в условиях жары и заполярной стужи. Медь с примесью ниобия становится тверже при высоких температурах, молибден, титан и цирконий также приобретают жаростойкость и жаропрочность. Сплавы олова и других металлов с ниобием являются сверхпроводниками.

Танталит - колумбит

Естественно, что такой набор "личных" качеств вызывает интерес к этому металлу не только у металлургов, но и у конструкторов таких современных отраслей, как авиация, ракетная и космическая техника, химическое машиностроение. Уникальное свойство ниобия - отсутствие заметного взаимодействия с ураном при температуре до +1100°С - позволяет использовать его в атомном машиностроении и в качестве защиты от радиации, а устойчивость к биосредам, как мы уже знаем, в восстановительной хирургии.

Элементы-родственники тантал и ниобий неразлучны в природе: нет минералов тантала, не содержащих ниобий, как нет минералов ниобия, не имеющих хотя бы примеси тантала. Почти 90% всех известных минералов тантала и ниобия составляют тантало-ниобаты - сложные оксиды тантала и ниобия. Черные, темно-коричневые, реже красновато-коричневые и бурые тантало-ниобаты часто отличаются еще и специфическим смолистым блеском поверхности излома. Большая плотность позволяет им накапливаться в россыпях. Чаще всего можно наблюдать их в виде мелких зерен, рассеянных в породе или группирующихся в виде нечетких полос и линз.

Манганотанталит

Основными рудными минералами тантало-ниобатов являются лишь немногие^*: колумбит (танталит), пирохлор (микролит или гатчеттолит), воджинит и лопарит. Кристаллики тантало-ниобатов обычно очень мелки (1-2 мм, а часто и десятые доли миллиметра). Пирохлор и его танталсодержащие родственники образуют октаэдры или реже кубы; для лопарита характерны взаимо-прорастающие кубические кристаллы - "лопаритовые двойники"; колумбит и танталит образуют мелкие уплощенные призматические кристаллы с острой головкой, но в пегматитовых жилах встречаются сростки колумбита и танталита до 5 и даже до 10-20 см.

^* (В скобках даны танталовые разности.)

Долгое время природные сокровищницы пегматитов были главными источниками получения этих металлов. Но и здесь за последние десятилетия произошли изменения. Помимо пегматитов, появились танталовые месторождения мелковкрапленных руд, главным образом гранитов, но, разумеется, не любых, а прошедших специальную обработку рудными растворами.

Пирохлор

Пристальное внимание к ниобию и танталу минералогов и геологов во всем мире, особенно усилившееся в последнее десятилетие, привело к уточнению доли этих элементов в земной коре. Процентное содержание ниобия в земной коре увеличилось с 1939 г. почти в 10 раз!

Серебристо-белый цирконий по праву может быть назван металлом атомного века. Это один из тех редких металлов, которые по размерам добычи обогнали многие из обычных цветных металлов, такие, как молибден, олово, вольфрам. Ежегодная добыча цирконового песка за рубежом приближается к 700 тыс. т.

Одно из характерных свойств циркония - малое сечение поперечного захвата тепловых нейтронов - позволяет ему претендовать на роль конструктивного металла ядерных реакторов. Жаропрочность (температура плавления +1860°С) в соединении с коррозионной устойчивостью подтверждает справедливость "претензий" циркония. Если бы не одно "но". В природных соединениях цирконий всегда сопровождался гафнием, во многом похожем на него, кроме главного - отношения к нейтронам (поперечное сечение захвата нейтронов у гафния очень высокое). И достаточно цирконию иметь 1,5% примеси гафния, как его конструктивные возможности ухудшаются в 20 раз!

Немало пришлось потрудиться химикам и металлургам, прежде чем в атомных реакторах появились циркониевые оболочки стержней и другие конструкционные детали. Коррозионная устойчивость позволяет использовать цирконий в химическом машиностроении ,или, например, для такой детали, как наконечник фильера, тянущего нить ацетатного шелка - кислая среда в этом процессе сменяется щелочной, лишь весьма благородные металлы или алмазы способны вынести такие перемены.

Еще одна важная область применения циркония - современная металлургия, требующая стойкости и прочности от стали не только на воздухе, но и в агрессивных средах, не только при высоких, но и при низких температурах. В этих случаях небольшая доза циркония оказывает магическое действие. От добавки циркония не отказываются и цветные металлы: магниевые сплавы с цинком и цирконием отличаются очень высокими механическими свойствами при малом удельном весе и используются самолетостроителями.

Открыт цирконий в 1789 г. в драгоценном цейлонском цирконе. Первооткрыватель этого элемента - М. Клапрот. Великолепные прозрачные и ярко сверкающие цирконы славились еще в древности. Весьма ценился этот камень и в Азии.

Призматический кристалл циркона

Гиацинт - драгоценная пламенно-оранжевая или огненно-коричневая, красно-коричневая прозрачная разновидность минерала циркона. Как видно из названия ("циркон" от персидских слов "цар" и "гун" - золотой цвет), теплые золотистые тона вообще характерны для этого минерала. Помимо гиацинта, на уже привычном нам "острове сокровищ"- Шри-Ланке - есть еще одна особенно ценимая ювелирами разновидность - прозрачные соломенно-желтые камни, называемые "жаргон". Как и гиацинт, жаргон отличается сильным блеском (показатели преломления циркона очень высоки, их два: больший - 2,000, меньший - 1,950) и яркой бриллиантовоподобной игрой. Поэтому водянопрозрачные цирконы или экземпляры с легким желтоватым оттенком долгое время не отличали от алмазов.

При прокалывании в восстановительных условиях многие цирконы приобретают великолепную густо-голубую или зеленовато-синюю окраску и эффектное имя: "старлит" - камень-звезда.

Итак, циркон - эффектный драгоценный камень - оранжевый, соломенно-желтый, зеленый, изголуба-синий - блестит и играет как алмаз (гиацинт, жаргон, старлит). А вы когда-нибудь слыхали о них? Не ошибусь, если скажу, что больше половины ребят вовсе о таких камнях не слышали.

Бипирамидальный кристалл циркона

Почему? Разве циркон так уж редок? Да не сказать, скорее наоборот, силикат металла циркония (ZrSiO₄) - циркон - один из самых распространенных акцессорных минералов. Виталий Ипполитович Соболевский, автор книги "Замечательные минералы", утверждает даже, что "в любом месте Советского Союза в течение часа"... "можно собрать коллекцию минералов, представленных великолепными кристаллами", в том числе и циркона - только маленькими. И это совершенно справедливо для цирконов. Они встречаются в гранитах, гнейсах, но особенно часто - в породах, богатых натрием: сиенитах и нефелиновых сиенитах, альбититах и в щелочных гранитах. В пегматитовых жилах нефелиновых сиенитов постоянными спутниками циркона являются щелочные темноцветные минералы (эгирин, или жгирин-авгит, щелочные амфиболы), полевой шпат, часто образующий в пегматитах гигантские кристаллы, главным образом в сиенитовых пегматитах. Такие породы известны в Норвегии (Хиттере) и в США (Северная Каролина), а у нас - в Ильменах и в Вишневых горах на Урале. Маленькие, в доли миллиметра, кристаллики циркона иногда можно заметить простым глазом. Почему? В породе их обычно окаймляют темные колечки, называемые "плеохроичными двориками". Такое колечко выделяется на зеркальце слюды или на полевом шпате. Возникает оно из-за интересных особенностей состава минерала.

Цирконы часто представлены небольшими правильными кристаллами характерной изящной формы. Мотив их кристаллической решетки, а соответственно и форма кристаллов подчинены четверной оси симметрии. Кристаллики циркона относятся, к тетрагональной сингонии. В сечении у них - квадрат. А сам кристалл состоит из тетрагональной призмы (иногда по ребрам она притуплена второй такой же призмой) и тетрагональной же бипирамиды, завершающей призму с обеих концов. Еще более эффектны кристаллы с двумя дипирамидами по концам: одна на вершинках, а другая только притупляет грани между призмой и верхней пирамидкой.

И вот что интересно. Циркон очень чутко реагирует на условия кристаллизации. В кислых породах, например в гранитах и пегматитах, у кристаллов циркона обязательно развиты и призма и бипирамидальные головки, а вот при возрастании щелочности растворов призмочка исчезает из огранки, тетрагональные бипирамидки смыкаются основаниями и внешне кристалл очень напоминает октаэдр. А если циркон возник при сравнительно низких температурах, форма его совсем иная: он, как и многие другие низкотемпературные минералы, образует сферолиты, или маленькие розетки из тончайших микропризмочек.

Ювелирные крупные цирконы очень редки. Фактически их добывают только в россыпях Индокитая (Кампучия, Таиланд, Вьетнам), Шри-Ланки (Ратнапура), Австралии (Квинсленд и Новый Южный Уэльс) и Тасмании, а также Мадагаскара. Но дело не только в величине кристаллов. У нас в Ильменах и в Хиттере в Норвегии встречаются и большие цирконы. Но они хрупки, трещиноваты и непрозрачны. И тут ничем не поможешь. Эти кристаллы подверглись саморазрушению. Как говорят минералоги, метамиктному распаду. Дело в том, что в состав цирконов входят заметные шэимеси радиоактивных элементов - урана и тория (если эти примеси особенно велики, такой разновидности минерала присваивают даже особое название - "малакон"). Радиоактивное излучение разрушает кристаллическую решетку минерала, и, хотя внешне кристалл вполне правильный (с гранями, с острыми ребрышками, с целой головкой),- это фактически уже не кристалл, а бесструктурная масса. Разбейте такой кристаллик, и на раковистом изломе вы увидите вместо характерного для циркона алмазного блеска блеск капельки смолы - типичный признак метамиктного состояния вещества. Оно характерно и для многих тантало-ниобатов. Эти же примеси радиоактивных веществ вызывают разрушение не только самого циркона, но и соседних минералов - они причина появления "плеохроичных двориков" и редкой годности цирконов для полировки.

Помимо циркона, путь к промышленному освоению открылся для второго важного минерала циркония - его оксида бадделеита (ZrO₂); в карбонатитах он часто бывает полезным спутником пирохлора.

Интересно, что в современной технике часто находит применение не только металлический цирконий, но и его концентрат - "цирконовый песок". Такой необычный песок получают из прибрежно-морских россыпей Восточной Австралии, Южной Индии, полуострова Флорида (США). Он с успехом применяется в литейном деле: если формовочные пески содержат примесь циркона, или бадделеита, литье получается точным, качественным и изделие уже не нуждается в дальнейшей обработке.

Познакомившись с судьбами столь многих камней, рождающих металл, невольно вспоминаешь о первом.

Ну а как же наш первый камень - прапредок всех руд? Неужели его место в музее, в залах палеолита и неолита? Нет! Основа кремня - чистый кремень ("чистый" - это значит, что на его 999999 атомов может быть только один "чужой" атом!). Он прекрасный полупроводник, незаменимый в электронике. Получают его, правда, не из кремней, а из кварцитов и жильного кварца. А "нечистый" кремний? Это - оконное стекло в вашем доме, бетон новостроек и, конечно, прекрасные самоцветы - лиловый аметист, дымчатый раухтопаз, горный хрусталь, прихотливо мерцающий опал и все халцедоны, агаты, яшмы и декоративные кремни самых невероятных цветов и оттенков.