Путешествие в Страну элементов

Выделенный из хлорида металл… превращают в йодид. Какой в этом смысл? А вот какой. Образовавшийся при 300 градусах TiJ₄ легколетуч, поэтому он возгоняется в вакууме. На своем пути пары TiJ₄ встречают раскаленную (1400 градусов) проволочку из титана. При такой температуре йодид разлагается, давая титан и йод. Чистый титан оседает на проволочке, а йод снова возвращают в процесс, и он переносит «на своих плечах» следующую порцию металла. Температуру возгонки регулируют, чтобы испарялся только йодид титана, а другие йодиды оставались на дне аппарата. Как видите, процессы сложные, требующие — в промышленных масштабах! — применения вакуума, инертного газа, объемистой аппаратуры, способной противостоять такому агрессору, как хлор… Не удивительно, что если стоимость руды принять за единицу, то стоимость готового чистого металла чуть ли не в 500 раз выше. Дорого? Да. Однако уже сегодня к титану не применима известная пословица: «Мал золотник, да дорог». Дорог пока — это верно. Но не мал. Помните, каким бурным был рост производства алюминия? Так вот, производство титана растет втрое быстрее.

Титан прочно «стал на ноги» в современной технике. Но жизнь не стоит на месте. На дорогу, ведущую из области редких элементов в область обычных материалов техники, становятся новые замечательные материалы.

Новые металлы на старте

В семействе тугоплавких металлов не последнее место занимают элементы-близнецы цирконий и гафний. Оба они — аналоги титана, поэтому любой из вас, даже не знакомый до сих пор с этими металлами, легко поверит, что они должны обладать не менее замечательными свойствами, чем титан.

Интересна история этих элементов. Цирконий был открыт очень давно — в 1789 году, гафний же, всегда «сопровождавший» его и в природе и в лабораторных препаратах, оставался незамеченным в течение более 130 лет благодаря чрезвычайной схожести с цирконием. О причине этой схожести — так называемом «лантаноидном сжатии» — будет сказано ниже.

Еще лет 20 назад цирконий использовали в очень небольших количествах, да и то в виде двуокиси ZrO₂, служившей хорошим огнеупорным материалом. Металлический цирконий использовался мало (в качестве ценного, но слишком дорогого легирующего элемента). К жизни этот металл был вызван развитием ракетостроения и атомной техники.

Минералами циркония являются циркон ZrSiO₄ и баддалеит ZrO₂. Встречаются они в значительных количествах, причем в месторождениях, кроме циркона и баддалеита, часто содержатся также рутил, ильменит, редкоземельные элементы и торий в виде окислов.

Задача разделения их — нелегка. Многие минералы, как известно, можно разделить по удельному весу, подбирая такие растворители, в которых одни всплывают, другие остаются на дне. Здесь этот метод не годился: удельные веса компонентов слишком близки. Изучение свойств составных частей сложной смеси минералов, содержащих цирконий, дало решение проблемы: все они обладают разными магнитными свойствами. Это позволило применить магнитную сепарацию.

Концентрат циркона, содержащий лишь небольшие количества примесей, частично используется в керамической промышленности, частично в качестве огнеупоров. Из него же выплавляют и металлический цирконий. Темпы роста производства циркониевых концентратов очень велики — от 4500 тонн в 1940 году до 90 000 тонн в 1955 году и 143 тысяч тонн в 1959 году (без СССР). Выплавка металла, составляющая в 1955 году около 1000 тонн, к 1959 году выросла втрое.

Металлический цирконий получают так: смесь циркона спекают при 650–670 градусах с кремнефтористым калием. При этом выделяется SiO₂, a Zr занимает место кремния: ZrSiO₄ + K₂SiF₆ = 2SiO₂ + K₂ZrF₆. Полученную соль растворяют в воде, а затем кристаллизуют. Эту соль можно восстановить металлическим натрием или, превратив в ZrCl₄, выделить металлический цирконий действием магния.

Очищают цирконий, как и титан, йодидным методом. Впрочем, оговоримся сразу: таким методом цирконий нельзя очистить от его «тени» — гафния, который на протяжении всего описанного процесса следует за ним.

Примесь гафния — от 1 до 3 процентов — иногда не мешает использованию циркония. Ведь если говорить об устойчивости против коррозии, то она велика у обоих «близнецов». Механические свойства также примерно одинаково хороши. Однако в атомной промышленности, которая как раз предъявляет заявку на цирконий и его сплавы, примесь гафния сводит на нет все замечательные качества циркония: если последний практически «прозрачен» для инициаторов ядерной реакции — нейтронов, то гафний жадно поглощает их, и атомная промышленность требует тщательного отделения гафния.

В настоящее время эта сложнейшая задача успешно решена наукой и техникой.

Гафний наряду с цирконием используется в радио- и рентгенотехнике и атомной промышленности, однако неизмеримо меньше. Мировое производство гафния в 1959 году составляло лишь 30 тонн.

Теперь нам предстоит познакомиться еще с одной парой «близнецов» — с ниобием и танталом.