Путешествие № 9 по зоопарку элементов

Борис Дружинин
«Квантик» №2, 2018

Ниобий (Nb)

Ниобий занимает клетку № 41. Минерал, из которого выделили ниобий, нашли в Северной Америке и назвали колумбитом. В самом начале XIX века, в образце колумбита, более ста лет хранившегося в Британском музее, английский учёный Хатчет обнаружил оксид неизвестного элемента, названного колумбием. А чуть позже шведский химик Экберг нашёл похожий оксид, который доставил много мучений химикам, пытавшимся растворить его в кислоте, так что элемент, образующий этот оксид, назвали танталом. Разительное сходство свойств колумбия и тантала привело учёных к выводу, что это один и тот же элемент, ему оставили имя тантал. И лишь 40 лет спустя установили, что это всё же разные элементы. Бывшему колумбию дали имя ниобий в честь дочери Тантала.

Ниобий придаёт сплавам высокую коррозионную стойкость. А детали химической аппаратуры, изготовленные из сплава ниобия с танталом, служат в среде сильных кислот — азотной или серной — до двух-трёх лет, в то время как подобные детали из нержавеющей стали не выдерживают более двух месяцев!

Ниобий хорошо поглощает газы и применяется при изготовлении вакуумных приборов. Алюминий, если в него ввести 0,05% ниобия, не реагирует со щелочами, хотя обычно в них растворяется. Некоторые сплавы ниобия обладают сверхпроводимостью, и из них делают обмотки мощных магнитов на ускорителях, в частности, на Большом адронном коллайдере.

Молибден (Mo)

Клетку № 42 занимет молибден. Высокая твёрдость и прочность клинков самурайских мечей объясняется тем, что в железе была небольшая добавка молибдена. Молибден попадал туда из железной руды, содержащей примеси оксида молибдена. В Европе этот металл известен с конца XVIII века. Всё, что оставляло след на бумаге, в средние века называли молибденом от латинского molibdaena, что, в свою очередь, происходит от греческого μόλυβδος — ‘свинец’. Под это название попадали многие минералы — и свинец, и графит, и молибденит, из которого сейчас получают собственно молибден.

Выходит, молибден «украл» имя у свинца, хотя трудно найти металлы, более несхожие. К примеру, температура плавления свинца 327°C, молибдена 2620°C, и при нагревании свинец расширяется в несколько раз сильнее, чем молибден. Близки они лишь по плотности: у свинца 11,3 г/см³, у молибдена 10,2 г/см³.

Только вольфрам расширяется при нагревании слабее, чем молибден. В лампочках вольфрамовые нити накаливания подвешивают на молибденовых крючках, впаянных в стекло, потому что жаропрочное стекло расширяется так же, как молибден, и вольфрамовые крючки просто выпадали бы при нагревании.

Добавка молибдена в металлы повышает их прочность, вязкость и коррозийную стойкость. Из хромомолибденовой стали делают бронебойные снаряды, судовые валы и другие детали, испытывающие большие нагрузки. Оружейная компания «Винчестер» использовала эту сталь для винтовочных стволов.

Тугоплавкий, ковкий, не тускнеющий, приятного цвета молибден получил признание ювелиров. Им иногда заменяют драгоценную платину. Но гораздо дороже платины радиоактивный изотоп ⁹⁹Mo. Его цена достигает 50 миллионов долларов за 1 грамм. Почему — читайте ниже в рассказе про технеций.

Технеций (Tc)

В клетке № 43 «живёт» технеций. Это самый лёгкий из элементов, не имеющих стабильных изотопов. Заполняя свою таблицу, Менделеев клетку № 43 оставил пустой, предсказав существование элемента экамарганец. Неоднократно в неё пытались поместить вновь открытые элементы с именами ильмений, люций, ниппоний, мазурий, но каждый раз их успешно «закрывали». Дошло до того, что учёные начали сомневаться в существовании элемента № 43 в природе. И сомневались правильно! К 1930 году учёные-ядерщики выяснили, что элемент № 43 имеет только радиоактивные изотопы. Те, что оказались на Земле во время её рождения, давно распались, а новые атомы появлялись лишь при спонтанном распаде урана в мизерных количествах, и найти их было практически невозможно.

Долго у элемента был лишь номер, но в 1947 году ему дали имя технеций, от древнегреческого τεχνητoς — ‘искусственный’. Это первый синтезированный человеком элемент. Был воссоздан химический «динозавр», некогда существовавший в природе, но «вымерший» в результате радиоактивного распада.

В промышленности используется долгоживущий изотоп ⁹⁹Tc. Соли технециевой кислоты — эффективные ингибиторы (замедлители) коррозии железа и стали. Излучение ⁹⁹Tc используется в дефектоскопах — приборах, позволяющих обнаружить скрытые дефекты деталей машин и механизмов.

У ⁹⁹Tc есть короткоживущая разновидность — изотоп ^99mTc, который за несколько часов превращается в ⁹⁹Tc. Выделяемое при этом мягкое излучение, безопасное для человека, позволяет диагностировать онкологические заболевания: изотоп ^99mTc вводят в организм, и он задерживается в тканях или органах, поражённых опухолью. Излучение регистрируется с помощью томографии, подсвечивая опухоль на снимке. Столь малое время жизни изотопа ^99mTc — и его преимущество (даже в малых количествах он достаточно активен), и недостаток (его нельзя заготовить впрок).

Изотоп ^99mTc получается при β-распаде ⁹⁹Mo. Но и сам ⁹⁹Mo имеет период полураспада всего 66 часов, поэтому его производят непрерывно в ядерных реакторах из осколков деления урана U²³⁵ и в кратчайшие сроки доставляют потребителям. Вот почему и радиоактивный молибден, и технеций такие дорогие.

Рутений (Ru)

Клетка № 44 принадлежит рутению. Рутений открыл в 1844 году наш соотечественник Карл Карлович Клаус. Название «рутений» (на латыни Ruthenia — ‘Россия’) предложил немец Готфрид Озанн ещё в 1828 году для открытого им, но на самом деле несуществующего элемента. Он как в воду глядел!

Рутений относится к благородным металлам, которых насчитывается всего восемь. Из-за хрупкости он не поддаётся механической обработке. Поэтому украшений из него не делают, но добавляют к ювелирным сплавам для придания им прочности. А при нанесении на поверхность золота рутений придаёт ему графитовый цвет — получается так называемое чёрное золото. Металлический рутений не растворяется в щелочах, кислотах и даже в кипящей царской водке.

При «сжигании» урана в реакторах образуется новое ядерное горючее — плутоний. Одновременно возникают осколки деления ядер урана, в том числе и радиоактивные изотопы рутения, которых нет в природе. Отходы радиоактивного рутения опасны из-за летучести и хорошей растворимости в воде соединений рутения.

Сплав рутения и платины используется для изготовления износостойких электрических контактов, что принципиально для слаботочной аппаратуры.

Родий (Rh)

Родий занимает клетку № 45. Этот благородный металл, входящий в платиновую группу, получил имя от древнегреческого ῥόδον — ‘роза’, потому что растворы многих соединений родия имеют тёмно-красный цвет.

Родий содержится в мизерных количествах в россыпях самородной «сырой» платины, основные мировые запасы которой находятся на Урале. В России выделяли только чистую платину, а другие металлы платиновой группы, которые сейчас дороже самой платины в десятки раз, шли в отходы. К 1843 году на Монетном дворе в Петербурге скопилось около полутора тонн таких отходов, и их продали за границу практически за копейки.

Родий очень дорог, но спрос на него стремительно растёт. Главным образом родий используется как катализатор — в частности, в фильтрах-нейтрализаторах выхлопных газов автомобилей. Производство азотной кислоты тоже не может произойти без платино-родиевого сплава. А ещё его поверхность отражает 80% видимой части спектра. Родий химически и механически износостоек, им покрывают технические зеркала высокоточных измерительных приборов.

Родиевое покрытие придаёт украшениям из белого золота и серебра особый блеск и красоту, не даёт мягкому металлу тускнеть из-за механических повреждений, а серебру ещё и не даёт окисляться. Но техническая ценность, трудность получения и скудость запасов родия в природе ограничивают его использование ювелирами.

Художник Мария Усеинова