Между ураном и свинцом

Когда ученые установили всю цепь распада ядер урана в ядра устойчивого изотопа свинца, выяснилось, что изотопы всех элементов, находящихся в клетках между ураном и свинцом, бывают промежуточными продуктами этого превращения. Исключением оказался неметалл астатин, в природе не существующий. Многочисленные изотопы его были получены позже искусственным путем. Все они оказались нежизнеспособными, распадающимися в течение нескольких минут или даже секунд.

Различны эти металлы, различна их судьба на службе человеку, но большинство из них так или иначе связано с судьбой главного металла будущей энергетики – урана.

Сосед урана в периодической системе, протактиний, существует в природе только благодаря тому, что количество его атомов непрерывно пополняется распадом урана. Самый устойчивый изотоп протактиния имеет период полураспада всего в 34 300 лет. Конечно, если бы не непрерывное пополнение, и следов этого элемента не осталось бы уже на нашей планете.

Открыли протактиний впервые в 1918 году немецкие ученые О. Ган и Л. Мейтнер и одновременно с ними английские ученые Ф. Содди и Д. Крокстон. Как и надо было ожидать, этот металл был получен при переработке урановых руд. В 1934 году протактиний выделили в чистом виде. Новый металл оказался серебристо‑белого цвета, не окисляющимся на воздухе. Вот, пожалуй, все, что сегодня о нем известно.

Следующим от урана к свинцу стоит торий. Нет, это не случайный, коротко живущий элемент, неудачное дитя в периодической системе. Период полураспада его самого устойчивого изотопа 13,9 млрд. лет. С образования земной коры едва прошла одна треть от времени его полураспада.

Тория не так уж мало в земной коре. Во всяком случае он не относится к неуловимо редким металлам. Есть и собственный минерал тория– так называемый монацит. Он добывается из монацитного песка, значительные запасы которого имеются в Индии и Бразилии.

Торий был открыт шведским химиком Я. Берцелиусом в 1829 году. Это мягкий металл, серовато‑белый, плавящийся при 1842 градусах и кипящий при 5200 градусах. Удельный вес тория около 11,5 г на куб. см. В холодном виде из него можно прокатывать листы, вытягивать проволоку, штамповать детали.

Торий не обладает высокой химической стойкостью. Уже на воздухе его покрывает тонкая пленка окисла. При прокаливании он горит ослепительным белым светом. Способен поглощать большие количества водорода.

Одним из важнейших применений соединений тория совсем недавно было изготовление газокалильных сеток газовых фонарей. Дело в том, что пламя газа (можете убедиться в этом, включив плитку на кухне) не светит ярко, как светит, например, даже пламя керосиновой лампы. Газовое пламя– бледное, хилое. Но можно несравнимо усилить его яркость. Для этого на газовую горелку одевают сетку, сделанную из окиси тория. Раскалившись, эта сетка испускает ослепительно яркий свет. На изготовление таких сеток и шла в прошлом вся добыча тория.

Умерло газовое освещение, замененное электрическим. Но окись тория нашла себе другое чрезвычайно важное применение: ее наносят теперь на катодные вольфрамовые нити некоторых радиоламп. Когда нить накаляется, окись тория начинает активно испарять, выбрасывать из себя электроны – те самые электроны, которые и выполняют все работы в вакууме радиолампы.

Из металлического тория изготавливают катоды рентгеновских трубок.

В последнее время торий нашел и другое применение. Его сплавляют с магнием и получают легкий прочный сплав, сохраняющий свои конструкционные свойства до 400 градусов. Один из таких сплавов содержит от 1,5 до 2,5 процента тория и немного марганца. Остальное – магний. Этот сплав применяется в производстве самолетов и управляемых снарядах. Он легче алюминиевых сплавов почти на одну треть.

Но главное применение тория сегодня – в качестве ядерного горючего электростанций. Обычно он используется здесь в сплаве с радиоактивными изотопами других металлов. По предположениям некоторых ученых, этому металлу предстоит сыграть в атомной энергетике не меньшую роль, чем урану.

Первая электростанция на ядерном горючем.

Еще на одну клетку влево. Ее занимает актиний. Как и протактиний, он обязан своим существованием распаду ядер урана. Впервые его получил в 1899 году Дебьерн, как и следовало ожидать, в урановой руде. Вот, пожалуй, и все, что сегодня можно сказать об этом еще одном нежизнеспособном элементе.

…Когда работа уже приближалась к концу и стало ясно, что в ближайшее время новый металл будет получен в чистом виде, Пьер Кюри сказал своей жене и другу по работе:

– Интересно, каким он будет. Мне бы хотелось, чтобы он был красивым…

Открытый подвижническим трудом ученых металл – это был радий– превзошел все их ожидания. Именно он оказался тем металлом, который непрерывно манил ученых и исследователей все дальше и дальше проникнуть в тайны атомного ядра. Непрерывно выплескиваемые им лучи звали, словно сигналы маяка. С него началось проникновение человека к сокровеннейшим тайнам природы.

Сначала он казался чудом… Излучаемая им энергия как‑будто возникала из ничего. Из ничего в запаянной наглухо пробирке возникали новые элементы. Трудно было сразу предположить, что это радий превращается в радон и свинец: ведь никто никогда не наблюдал превращения элементов. Был поставлен под сомнение великий закон сохранения энергии, закон сохранения вещества. Казалось, были поколеблены основные законы физики.

Но скоро ученые разобрались в происходящем. Гениальный Эйнштейн установил связи между массой вещества и энергией. Настало время найти новому металлу практическое применение.

Между тем в 1910 году М. Кюри‑Склодовская и А. Дебьерн получили электролизом чистый радий. «Лучистый» – точный перевод этого имени. Им оказался серебристо‑белый металл, сравнительно легкий (его удельный вес всего около 6 г на куб. см), с температурой плавления 960 градусов и кипения– 1140 градусов. Высокой оказалась химическая активность радия. На воздухе он покрывается черной пленкой окисла, энергично соединяется даже с углеродом и азотом. Энергично разлагает воду. Только в вакууме, изолировав от всех соблазнов вступить в реакцию, можно сохранять этот металл в чистом виде.

Соединения радия обладают способностью светиться в темноте – за счет собственного излучения. И это его свойство было первым, нашедшим практическое применение.

Давно было известно, что порошок кристаллического сернистого цинка, особенным образом приготовленного, смешанного с незначительными количествами других элементов, придающих ему окраску, светится некоторое время, будучи перенесен в темноту. Однако сила этого свечения быстро ослабевает. Надо снова «зарядить» состав, облучив его ярким светом. А это далеко не всегда возможно.

Но краска эта будет светиться практически вечно, если в нее добавить ничтожные количества радия. Всего несколько миллиграммов на килограмм краски. И тогда не погаснет стрелка компаса у судна, зимующего во льдах Арктики в период многонедельной ночи, не потускнеют указатели приборов самолета, летящего в ночном слепом полете. Можно приготовить светящуюся бумагу, на которой в темноте лаборатории ученый сможет записать свои наблюдения за ходом опыта.

Следующей областью применения радия стала медицина. Оказалось, что лучи радия обладают могучим целительным действием против целого ряда болезней, в том числе страшного, неумолимого рака, волчанки. Надо только тщательно дозировать облучение, иначе оно может стать из исцеляющего смертоносным.

И, конечно, жадно хотели обладать радием ученые. Обладать для того, чтобы с его помощью еще глубже проникать в тайны природы…

Сегодня во всех этих случаях уже обходятся без радия. Радиоактивный кобальт, несравненно более дешевый, пришел в лечебницы. Новые светящиеся составы стараются делать без радия, излучение которого даже в самых незначительных дозах все же крайне опасно для здоровья людей. Ученые располагают сейчас в своих лабораториях несравненно более мощными средствами проникновения в заповедные дебри вещества, чем может обеспечить радий. Так радий стал первым «безработным» металлом.

Самый простой из проектов атомной ракеты.

Франций, сосед радия, – металл, занимающий нижний левый угол в периодической системе элементов.

Металлические свойства нарастают в периодической системе элементов справа налево и сверху вниз. Верхний правый угол таблицы занимают самые активные неметаллы. Франций по своему положению является самым «металлическим» металлом. Однако и до сегодня этот металл – одна сплошная загадка.

Существование франция предсказал еще Менделеев. Он описал его основные свойства и назвал экацезием. Однако впервые обнаружить франций удалось только в 1939 году М. Пере. Исследовательница натолкнулась на него, изучая продукты радиоактивного распада актиния. Она назвала новый металл именем своей родины.

Франций оказался крайне коротко живущим элементом. Самый устойчивый из его изотопов обладает периодом полураспада в 21 минуту. А есть и такие, которые живут сотые и тысячные доли секунды. Практически почти невозможно изучить физические свойства нового, исчезающего из рук металла, – едва только несколько атомов его успевают выделить ученые. Поэтому об этих свойствах почти ничего не известно сегодня.

Не много известно и о химических его свойствах, кроме тех, которые можно предсказать, анализируя его положение в периодической системе элементов. Бесспорно, это очень активный металл. И бесспорно, сохранять его можно так же, как и радий, только в вакууме.

Противоположный, верхний правый, угол периодической системы элементов занимает фтор – самый активный неметалл, обладающий многими чудесными свойствами, которые человек сумел применить для многих важных дел. Может быть, не будь он таким неустойчивым, нежизнеспособным, был бы очень полезен человеку и самый активный металл – франций.

Следующим в ряду элементов, соединяющих уран и свинец, стоит радон, благородный газ, также крайне неустойчивый и недолго живущий. Он ядовит и опасен. Продукты распада радона оседают на все предметы, оказавшиеся в его атмосфере, и вызывают на их поверхности радиоактивность. За радоном следует астатин, о котором мы уже говорили, а еще дальше – полоний.

В честь родины Марии Кюри‑Склодовской назвали этот элемент супруги Кюри, впервые получившие его даже несколько раньше радия из урановой руды. И этот элемент не обладает правом на долгое и устойчивое существование. Самый долгоживущий из почти двух десятков изотопов полония имеет период полураспада около 200 лет. Однако это уже позволило узнать и хотя бы в первом приближении изучить его свойства.

И этот элемент был предсказан Д. И. Менделеевым. Но Менделеев не предполагал, что полоний будет иметь две кристаллические модификации, что при температуре выше 75 градусов он будет иметь одну кристаллическую решетку, а при более низкой – другую. И, конечно, он даже не мог предполагать, что и при комнатной температуре полоний будет сохранять высокотемпературную кристаллическую решетку за счет тепла, выделяющегося при его радиоактивном распаде: ведь великий русский ученый еще ничего не знал о радиоактивности.

Удельный вес полония – около 9,3 г на куб. см. На воздухе этот металл быстро окисляется. Излучаемые им лучи разбивают молекулы кислорода, вызывают образование озона, и этот озон окисляет металл. Время практического применения полония, кроме научно‑исследовательских лабораторий, видимо, еще не настало.

Кобальт пришел в медицину.

Висмут соседствует с одной стороны с полонием, с другой стороны– со свинцом.

Висмут имеет нераспадающийся изотоп. Он довольно широко распространен в земной коре. Однако богатых висмутом руд на земном шаре не так уж много. Основной источник висмута в нашей стране – отходы свинцово‑цинковых заводов, отходы обогащения вольфрамовых руд и концентраты медно‑висмутовых месторождений.

Висмут был известен давно, еще в XVI веке. Однако его тогда считали просто разновидностью свинца или олова. Только в середине XVIII века был он наконец признан самостоятельным металлом.

Свойства висмута не выделяют его из среднего круга не очень удавшихся природе металлов. Этот хрупкий металл имеет серебристо‑красный цвет, удельный вес его – около 9,8 г на куб. см. Температура плавления висмута – 271 градус, кипения– 1560 градусов. Химическая активность средняя.

Висмут не годится даже на роли легирующего элемента: его присутствие делает многие металлы хрупкими, нековкими, поэтому металлурги не только не стремятся ввести висмут в стали или бронзы, но, наоборот, стремятся удалить его, чтобы и следов не осталось, если уж на несчастье в руде окажется примесь висмута.

И все же висмут обладает такими редкими индивидуальными чертами характера, которые обеспечивают ему очень важные применения в технике.

Первое из них – изготовление легкоплавких сплавов. Обычно в их состав, кроме висмута, входят свинец, олово, кадмий, индий. Один из сплавов, состоящий из этих элементов, плавится при температуре всего в 47 градусов. Уже на дне стакана горячего чая можно расплавить этот сплав.

Такие сплавы применяются в автоматических системах огнетушения. Части труб, краны водопроводной системы в помещениях, где требуется автоматическое огнетушение, делаются из легкоплавкого сплава. В случае повышения температуры в этом помещении сплав плавится, струи воды вырываются навстречу пламени – они заливают помещение, ликвидируя пожар.

Такие сплавы применяются и в качестве аварийных клапанов паросиловых установок. Вырастает температура пара, газа или перегретой жидкости выше допустимого предела– и плавится сделанная из легкоплавкого кадмиевого сплава пробка или стенка. Авария всего устройства предотвращена.

Первый пенсионер среди металлов.

Другой сплав, содержащий одну часть висмута и четыре части ртути, обладает удивительной способностью прилипать к самым различным веществам. Отлично прилипает он и к стеклу, поэтому его применяют в качестве серебрителя стеклянных поверхностей.

Применяют сплавы висмута и в качестве припаев, в частности если надо спаять стекло и металл. Делают из сплавов висмута и художественные отливки, он входит в состав типографских шрифтов.

Вот сколько применений находит немудрящий висмут.

Впрочем, мы не рассказали об еще одном. Висмут обладает уникальной способностью чрезвычайно сильно изменять свое электрическое сопротивление под влиянием температуры и изменения напряженности окружающего магнитного поля. Этим его свойством пользуются для измерения напряженности магнитного поля. Прибор для этой цели называется висмутовой спиралью.

Находят себе применение – главным образом в медицине, косметике и стеклоделии – многие соединения висмута.

Топливо этого гиганта – металл уран. Мирный атом служит людям.

И, наконец, свинец – последний этап всех трех линий ядерных превращений: и той, в начале которой лежит уран‑238, и той, родоначальником которой является уран‑235, и той, истоком которой служит торий. Причем каждая из этих линий завершается собственным изотопом свинца, так что можно определить, в результате какого процесса возникла та или иная его крупинка.

Свинец – тяжелый, мягкий, непрочный металл, поверхность которого можно поцарапать прямо ногтем, – видели все. Всем известно, что он легкоплавок – его можно расплавить на огне костра, для этого нужна температура всего в 327 градусов. При 1700 градусах свинец кипит. Удельный вес свинца– 11,3 г на куб. см.

Свинец служит человеку со времен глубочайшей древности. К третьему тысячелетию до нашей эры относится начало выплавки этого металла. Из него изготовляли трубы водопроводов, кровельные листы, сосуды, метательные снаряды. После изобретения огнестрельного оружия свинец стал классическим материалом для литья пуль, дроби. А развитие химической промышленности принесло ему новую кучу обязанностей. Способностью свинца сопротивляться разъедающему действию ряда кислот воспользовались для защиты металлов. Многие детали химической аппаратуры заводов, производящих серную кислоту, сделаны либо из свинца, либо покрыты свинцом.

Много свинца идет в настоящее время на производство аккумуляторов, кабелей – связи и силовых, закапываемых в землю. И здесь оказываются особенно полезными свойства свинца: пластичность, которая позволяет легко изгибать кабель, устойчивость против коррозии. Немало этого металла идет и на производство различных свинцовых сплавов.

Свинец оказался одним из самых «непрозрачных» для различных видов радиоактивного излучения металлов. Поэтому из него делают экраны, защищающие людей. В свинцовой груше скрывается крупинка радиоактивного кобальта, используемого для лечения рака. Свинцовые передники надевают люди, много работающие с рентгеновскими лучами.

Используется свинец в военном деле и сегодня. Свинцовой остается пуля, свинцовой остается и картечь.

Важные и нужные работы выполняет свинец, и поэтому все растет его производство. В капиталистических странах в 1952 году добыча свинца составила 1600 тысяч тонн, в 1958 году– 1930 тысяч тонн. И нет пока, несмотря на некоторые колебания, тенденций к сокращению производства этого металла‑работяги.

Свинец – надежный страж.