На границе с неметаллами

Правую часть развернутой периодической системы Менделеева занимают неметаллы. Раньше их называли металлоидами.

Скажем откровенно: резкой границы между металлами и неметаллами нет. С точки зрения химика, к металлам относятся те элементы, которые, вступая в соединение, отдают свои электроны, к неметаллам – те, которые стремятся присоединить электроны. Однако очень многие элементы в одних соединениях отдают свои внешние электроны, в других, наоборот, присоединяют их.

Окислы металлов, растворяясь в воде, образуют щелочи; окислы неметаллов – кислоты. Элементы, соединения которых обладают как щелочными, так и кислотными свойствами, то есть проявляющие себя и металлами и неметаллами, называются амфотерными. Их много. Даже такой резко выраженный металл, как железо, в некоторых химических соединениях ведет себя как неметалл. Но наибольшей амфотерностью обладают элементы, занимающие в периодической системе промежуточное положение между металлами и неметаллами. К ним относятся цинк, алюминий, галлий и т. д. А относительно целого ряда элементов вообще трудно решить, металлы это или неметаллы, так причудливы их химические свойства.

Возьмите второе издание Большой советской энциклопедии и откройте ее 27‑й том на слове «металлы». И в списке, где приводится распространенность металлов в земной коре на стр. 270 (мне не раз приходилось заглядывать в этот список), и в таблице свойств металлов на стр. 244–245 можно найти и мышьяк, и селен, и теллур.

Но раскройте 29‑й том этой же энциклопедии на слове «неметаллы». Там вы найдете прямое указание, что и мышьяк, и селен, и теллур относятся к неметаллам.

Ошибка? Конечно, некоторая несогласованность между утверждениями двух статей энциклопедии есть. Но она легко объяснима. Автор статьи о металлах убедительно может доказать, подтвердив целым рядом примеров, что три спорных элемента обладают целым рядом металлических свойств. Автор статьи о неметаллах приведет столько же подтверждений, что элементы эти имеют кучу неметаллических качеств.

Даже рискуя обеднить задуманную книгу о неметаллах и власти над ними человека, включил я короткие справки об этих элементах сюда, в рассказ о металлах.

Металл?.. Неметалл?.. Металл?. Неметалл?..

Селен – еще один элемент, название которого химики заимствовали у астрономов. Открывший его в 1817 году в отходах серной кислоты шведский ученый Берцелиус дал имя своему «крестнику» в честь Селены – так греки называли Луну. Селен относится к числу рассеянных элементов. По целому ряду своих свойств он очень напоминает серу. Подобно сере, он встречается в самородном состоянии. Вместе с тем известен и целый ряд минералов, образованных селеном. Он связан в них с медью, серебром, ртутью и т. д.

При обработке колчеданов селен концентрируется в отходах производства. Это один из основных источников его добычи. Кроме того, он содержится в шламе, скапливающемся на дне электролитических ванн при электролизе меди. Содержание селена в этом шламе может достигать 14 процентов. Это второй важный источник получения селена.

Селен, как и сера, имеет несколько модификаций. Если расплавленный селен (плавится он при температуре 214 градусов, а кипит при 685 градусах) медленно охлаждать, то получается отливка серо‑черного цвета – так называемый серый или металлический селен. При быстром охлаждении образуется хрупкая серовато‑свинцовая масса – стекловидный селен. При нагревании уже до 50 градусов он размягчается, как и всякое аморфное тело, не имеющее кристаллической структуры и определенной точки плавления. Однако при дальнейшем нагревании стекловидный селен кристаллизуется и переходит в серый селен.

Есть и еще одна модификация селена – рыхлый красный порошок, красный селен. Он получается при быстром охлаждении паров этого элемента.

Селен является типичным полупроводником.

Еще всего лет двадцать назад люди, связанные с электротехникой, считали полупроводники почти бросовым материалом. Проводники были очень нужны. Это провода, шины, контакты. Нужны были и изоляторы. Из них делали распределительные щитки, ими покрывали проволоку, из них изготовляли подвески для линий высокого напряжения. А полупроводники – их свойства проводить электрический ток отчетливо выражены названием – не годились ни на то, ни на другое.

Между тем полупроводники обладают многими замечательными свойствами. Они изменяют свою электропроводность под действием внешних причин. При охлаждении до температуры, близкой к температуре абсолютного нуля, они не только не становятся сверхпроводниками, но, наоборот, приобретают качества абсолютных изоляторов. Эти и другие свойства полупроводников привлекли к ним сейчас всеобщее внимание. На них возлагают большие надежды многие отрасли техники.

Полупроводниковые приборы начинают заменять радиолампы самых различных назначений. Такие приборы оказываются несравненно меньше радиоламп, к тому же при работе они потребляют значительно меньше энергии. И последнее: они работают практически вечно, тогда как радиолампы всегда имеют определенный гарантированный срок службы.

Ссылаясь на эти удивительные свойства, радиоинженеры обещают создать безотказно работающие радиоприемники массового пользования величиной со спичечную коробку и даже меньше, выпустить в продажу телевизоры, состоящие чуть ли не из одного экрана, плоские, как книга, – их можно будет вешать на стены. И, действительно, полупроводники позволяют осуществить все эти, казавшиеся недавно несбыточными, мечты.

В технике и промышленности широко применяются выпрямители электрического тока самых различных назначений. Но как они все неудобны! Они включают в себя или стремительно вращающиеся части, или огромные стеклянные баллоны, наполненные ртутью и ее парами. Обращение с ними должно быть очень деликатным, бережным.

И здесь на помощь пришли полупроводники.

Они не содержат ни движущихся частей, ни громоздких стеклянных баллонов. С волнением относятся к ним, в частности, инженеры и ученые, работающие над проблемой электрификации железнодорожного транспорта. Они считают, что именно полупроводниковые выпрямители позволят осуществить давнишнюю мечту – широко внедрить электрическую тягу на переменном токе.

Среди многих замечательных свойств полупроводников есть способность превращать в электрический ток тепловую энергию. Если соединить два полупроводника так, чтобы образовалась электрическая цепь, к одному спаю подвести тепло, а другой, наоборот, охладить, в цепи появится электрический ток. Он появляется и в цепях, соединенных из металлических проводников, но в данной будет в десятки и сотни раз больше. Настолько больше, что можно изготовлять и выпускать в широкую продажу бытовые термогенераторы, вырабатывающие электрический ток для питания сельских радиоприемников из тепла, выделяемого обычной настольной керосиновой лампой или керогазом.

В тридцатых годах прошлого века было обнаружено обратное явление: при прохождении тока в цепи из разных проводников в местах их контактов выделяется или поглощается тепло, контакты или нагреваются, или охлаждаются. В полупроводниковой цепи это явление столь интенсивно, что оказалось вполне возможным использовать его в домашних холодильниках.

Такие холодильники с охлаждающим механизмом из полупроводниковых элементов, сквозь которые проходит электрический ток, уже существуют. Они оказываются экономичнее, удобнее, долговечнее всяких других.

Но не о холодильниках главный разговор. Мы упомянули о них потому, что здесь нашло свое отражение явление, которое может быть использовано при разработке конструкций тепловых электростанций будущего.

Очень простой, значительно проще современной ТЭЦ, может получиться полупроводниковая теплоэлектростанция. Стенки ее топки покрывают спаями полупроводников. Жаркое пламя омывает выступающие внутрь спаи, на выходящие наружу «котла» обрушиваются потоки мелкой водяной пыли – для охлаждения. Ведь величина вырабатываем ого термоэлементом тока прямо пропорциональна именно разности температур нагреваемого и охлаждаемого спаев.

Такой представляется сегодня полупроводниковая теплоэлектростанция. Но пока это только мечта, смелая мечта инженеров и физиков. Промышленно пригодного, экономически выгодного прямого превращения тепловой энергии в электрическую мы еще не знаем. Только первые шаги делаются на этом пути. Максимально достигнутый коэффициент полезного действия полупроводникового термоэлемента равен 7 процентам– в четыре‑пять раз ниже коэффициента полезного действия современной тепловой электростанции. Многое предстоит еще сделать нашим ученым, чтобы решить сложные вопросы, стоящие на пути к полупроводниковой электростанции.

Полупроводниковые термоэлементы могут быть применены и на других типах электростанций, использующих перепад температур, например на электростанциях, источником энергии у которых служит тепло земных недр.

Геофизики установили, что под струей теплого течения Гольфстрим над самым дном Атлантического океана есть устремленное к югу холодное течение. Можно себе представить полупроводниковую электростанцию, использующую перепад температур между этими течениями.

Вот во всех этих устройствах и принимает участие наряду с другими полупроводниками селен. Еще одно из замечательных свойств селена– способность резко изменять свою электропроводность в зависимости от освещения. На свету его электропроводность в тысячу раз выше, чем в темноте!

Действие света на селен, принцип работы селенового фотоэлемента отличается от действия света на цезий и принципа работы цезиевого фотоэлемента.

Цезий под действием света выбрасывает электроны – это явление называется внешним фотоэффектом. Освещаемый селен увеличивает свою электропроводность – это внутренний фотоэффект.

Теллур так же похож на селен, как селен на серу. Большинство того, что было сказано о свойствах селена, может относиться и к теллуру.

Впервые этот элемент был открыт в 1782 году венгерским химиком Ф. Мюллером. На рубеже девятнадцатого века он получил свое название. Происхождение этого названия имеет одновременно и земное и небесное происхождение, ибо оно произведено от латинского имени планеты Земля.

Теллур обладает более ярко выраженными металлическими свойствами, чем селен. Он имеет серебристо‑серый цвет, на холоде хрупок и не ковок. Плавится он при 425 градусах, кипит при 1390 градусах. При комнатной температуре не окисляется. Как и селен, он встречается в самородном состоянии. Получают его из тех же источников, что и селен.

Теллур не изменяет своей проводимости под действием света. Он обладает большей электропроводностью, чем селен, и эта электропроводность возрастает при высоких давлениях.

Теллур находит применение в качестве легирующей присадки к свинцу.

«Зеленая улица» для электронов.

Свинцовый сплав, содержащий 0,5 процента теллура, используют в сернокислотной промышленности для изготовления химической аппаратуры. Такой сплав работает почти вдвое дольше, чем чистый свинец. Добавка долей процента теллура к оловянистым баббитам значительно повышает их твердость, прочность, износоустойчивость. Применяется он и в ряде других случаев.

Мышьяк – сосед селена в периодической системе. Это элемент с достаточно давней биографией. Его соединениями пользовались для получения лекарств и красок еще древние греки; издавна на Руси они применялись для истребления крыс и мышей. И само русское название его происходит от слов «мышь» и «яд».

Мышьяк также может существовать в нескольких аллотропических формах. Наиболее часто встречается серый мышьяк – хрупкий, серо‑стального цвета элемент. При атмосферном давлении мышьяк, нагретый до температуры около 600 градусов, испаряется не растворяясь. Только при повышенном давлении можно получить жидкий мышьяк.

Металлический мышьяк применяется в качестве добавок к сплавам свинца, идущим на изготовление дроби. Он входит и в состав некоторых баббитов. Примесь мышьяка к сталям и меди, идущей на электротехнические нужды, считается крайне вредной.

Широкое применение находят соединения мышьяка. Этим и определяется его довольно широкая добыча в целом ряде стран.

Д. И. Менделеев предсказал свойства германия за пятнадцать лет до его открытия в 1886 году немецким химиком А. Винклером. Впрочем, само название этого элемента говорит о национальной принадлежности его первооткрывателя.

Совсем недавно этот удивительный металл светло‑серого цвета был почти бесполезным для человека. В настоящее время с ним связаны большие надежды человечества. Это один из важнейших элементов‑полупроводников (об их применении мы уже говорили), и поэтому стремительно растет производство германия, причем особенное старание прилагают ученые и инженеры, чтобы получить сверхчистый германий.

Германий – очень рассеянный элемент. Он содержится почти во всех породах, включая граниты и габбро, но везде в ничтожных количествах. Несколько повышенное содержание его отмечается в пыли газогенераторных установок. Вот из них‑то и добывают германий. Второй его источник– отходы цинкового производства.

Вследствие высокой хрупкости германий нельзя обрабатывать давлением. Поэтому тонкие пластинки этого металла получают, распиливая слиток алмазной пилой. Фасонные детали получают, плавя германий в графитовых тиглях требующейся формы. Температура плавления германия– 959 градусов, кипения – 2700 градусов.

Особенно широкое применение находит сверхчистый германий, но применяется он и в сплавах. Сплав германия с алюминием рекомендован для изготовления катодов радиоламп. Сплав с золотом используется для получения твердых покрытий на золоте. Покрытие получают простым погружением изделия в сплав, находящийся в жидком виде уже при

500 градусах. Примесь германия в магниевых сплавах делает их более прочными, стойкими против усталости и коррозии.

Таковы элементы, лежащие на границе между металлами и неметаллами.

Остатки рассеянных

В 1871 году великий русский ученый Д. И. Менделеев предсказал, что еще не открытый в то время металл «экаалюминий» должен был быть:

а) легкоплавким;

б) не окисляющимся на воздухе;

в) с удельным весом 5,9 г на куб. см;

г) разлагающим пары воды при красном калении.

Оказалось, что мягкий серебристо‑белый металл галлий, открытый четыре года спустя, в 1875 году, французом Лекок де Буабодраном и названный им в честь своей родины галлием:

а) плавится при 30 градусах;

б) окисляется только при красном калении;

в) имеет удельный вес 5,9 г на куб. см;

г) при высокой температуре разлагает пары воды.

Жидкий галлий очень похож на ртуть. Он плавится прямо на ладони. Но он может оставаться жидким, как и всякая переохлажденная жидкость, при значительно более низкой температуре – до минус 40 градусов.

Галлий остается жидким в очень большом диапазоне температур – от 30 до 2200 градусов, поэтому его используют в термометрах, рассчитанных на измерение высоких температур. Вместо стекла для изготовления баллончика и капиллярной трубки в таких термометрах используют кварц, и прибор работает безотказно до температуры в 1300 градусов.

Используется галлий и в сплавах с висмутом, свинцом, кадмием, индием, оловом, таллием и т. д. Эти сплавы имеют низкие температуры плавления– в 16, 20, 45 градусов в зависимости от назначения.

Галлий – очень рассеянный элемент. Основной источник производства этого металла – отходы алюминиевого и цинкового производств.

Индий уже был известен химикам, когда мир поразило гениальное открытие Менделеева. Этот металл был открыт в 1863 году немецкими химиками Рейхом и Рихтером с помощью спектрального анализа. Название ему было дано по ярко‑синей – цвета индиго – спектральной линии.

Он не будет наказан за свое любопытство.

Первооткрыватели индия определили его атомный вес – 75,6, однако с этим не согласился русский ученый. Он переправил эту цифру на 113. Дальнейшие исследования подтвердили правоту Менделеева. Это было одним из первых творческих применений открытой Менделеевым периодической системы элементов.

Индий – мягкий металл, похожий по многим своим свойствам на галлий, только температура плавления у него повыше– 155 градусов, а температура кипения пониже– 1450 градусов. На воздухе он устойчив, в воде медленно корродирует.

В последние десятилетия он начинает применяться все чаще. Производство его уже в 1942 году достигло 20 тонн (без СССР). Он используется для антикоррозионных покрытий высококачественных подшипников.

Можно изготовлять из индия и зеркала. Хотя этот металл и обладает меньшей, чем серебро, отражательной способностью, он, однако, не в пример серебру не тускнеет.

Мы уже говорили о легкоплавких сплавах, в состав которых входит и индий. Известен и его сплав с оловом (половина по весу – индий, половина– олово), применяемый в вакуумной промышленности, в лабораториях научно‑исследовательских институтов. Этот сплав обладает редкой способностью смачивать стекло и поэтому применяется для спаивания стекол между собой или с металлами.

Добывают индий из отходов производства цинка и свинца.

Таллий, открытый в 1861 году англичанином У. Круксом, также получил имя по характерной для него зеленой линии спектра. Этот голубовато‑серый металл, быстро тускнеющий на воздухе, более мягкий, чем свинец, также принадлежит к числу рассеянных элементов. Он ковок, имеет значительный удельный вес–11,85 г на куб. см, плавится при 303 градусах, кипит при 1457 градусах. Уже на воздухе он тускнеет, покрываясь черной окисной пленкой, а при нагревании сгорает, образуя бурые пары.

Соединения таллия – сильные яды. Применение их против грызунов, начавшееся в 20‑х годах нашего века, было и первым практическим применением таллия. Для этой цели, впрочем, они используются и сегодня.

Некоторые другие соединения таллия нашли себе место в фотоэлементах, при производстве искусственного стекла, в подшипниковых сплавах.

Главный источник добычи таллия – также отходы и полупродукты переработки сульфидных руд.

Кадмий – сосед индия в периодической системе, серебристо‑белый металл, ковкий и тягучий, – был открыт в 1817 году немецким химиком Ф. Штромейером. Именем его называли в древности руды цинка.

Кадмий плавится при 321 градусе, кипит при 767 градусах. На воздухе при обычных условиях не окисляется.

Кадмий входит в типографские сплавы, применяется для покрытия железных и стальных изделий. Добавка этого металла к меди увеличивает ее прочность. Трамвайные провода, содержащие кадмий, меньше изнашиваются от трения дуги.

Используется этот металл и в щелочных аккумуляторах.

Добывают кадмий также из отходов цинковых руд. Содержание его там в среднем составляет 1 кг на 100 кг цинка. Значит, добыв 1 млн. кг цинка, можно получить 10 тысяч кг кадмия.

В 1959 году добыча кадмия в капиталистическом мире перевалила за 7 тысяч тонн.

Вот и все редкие и рассеянные металлы, о которых не рассказано в других главах.