Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

и сказал: «Не слишком ли ты заселил мою квартиру?» Хотя железа в природе гораздо больше, чем цинка, железо способно замещать цинк в цинковой обманке только до известного предела; особенность, которую ученые называют ограниченной смесимостью.

Этот пример может быть использован и еще для одного интересного сравнения: подобно тому как в свободной барсучьей норе не будет искать себе приюта медведь, для которого на зиму нужна гораздо более просторная берлога, и воспользоваться ею могут только близкие по размеру звери, так и в цинковой обманке место цинка могут замещать только те элементы, атомы которых близки по размеру к атому цинка.

И в цинковой обманке мы встречаем из редких рассеянных элементов кадмий, галлий, индий, таллий, германий… Как видно, цинк является очень гостеприимным хозяином. Но не только цинк, а также и сера способна, в значительно, правда, меньшей степени, оказывать гостеприимство двум другим редким рассеянным элементам — селену и теллуру.

Как видите, состав цинковой обманки оказывается гораздо более сложным, чем это кажется с первого взгляда. Примерно то же самое можно сказать и о так называемых блеклых рудах, и о медном колчедане (халькопирите), и о многих других минералах.

Но геохимики выяснили еще дополнительные закономерности: оказывается, что богатые железом черные цинковые обманки обычно кадмия почти не содержат, но зато богаты индием, а иногда и германием; что галлий накапливается главным образом в светло-бурых цинковых обманках, а кадмий — в медово-желтых. Селеном и теллуром обычно богаче темноокрашенные разновидности. Как видите, дружба между химическими элементами неодинаковая, и разные условия, разные соседи определяют собою, каких «квартирантов» можно поселить на предназначенное для цинка место…

Обнаружение редких рассеянных элементов оказывается делом непростым и требует особых приемов. Высокая ценность заставляет искать их даже тогда, когда процент содержания их очень мал. На помощь обычному химическому анализу с его наиболее усовершенствованными методами и наиболее чувствительными химическими реакциями пришли спектроскопический и рентгенохимический анализы.

Они, не требуя сложных химических разделений, способны сразу указать, какие еще химические элементы и в каких количествах находятся в данном минерале. Цинковая обманка, содержащая только 0,1 процента индия, уже является не цинковой, а индиевой рудой, потому что стоимость индия, даже при таком невысоком его содержании, больше, чем стоимость всего цинка…

Чем же заслужили редкие рассеянные элементы такое внимание, почему ими так интересуются, чем определяется их высокая ценность? Основная причина — это специфичность их применения. Это те своеобразные, особенные свойства, которыми обладают или сами металлы, или продукты, полученные из их соединений.

Так, окись тория светится при накаливании ярким, ослепительным светом, что нашло применение в газокалильных сетках.

Рубидий и цезий дают зеркала, легко испускающие электроны, что делает их незаменимыми в фотоэлементах.

Давайте проследим, где и как применяются редкие металлы или их соединения, которые добываются из только что описанной цинковой обманки.

Кадмий… Светло-серый, сравнительно мягкий и легкоплавкий металл, плавится он при температуре 321°. Но стоит одну часть металлического кадмия сплавить с одной частью олова, двумя частями свинца и четырьмя висмута (каждый из этих металлов плавится при температуре выше 200°), как получится сплав, известный под названием сплава Вуда. Он плавится при температуре всего лишь 70°.

Подумайте только! Если сделать из такого сплава чайную ложку и начать размешивать ею сахар, опущенный в стакан горячего чаю, то ложка может расплавиться и… на дне стакана, под слоем чая, окажется жидкий металл! А при других соотношениях в сплаве тех же четырех металлов можно получить сплав Липовича — он плавится всего лишь при 55°! Ведь таким расплавленным металлом даже руку себе не обожжешь.

Легкоплавкие металлы применяются во многих областях техники.

Есть металл, который в чистом виде можно расплавить, держа его в руке. Это галлий, один из тех редких рассеянных элементов, которые находятся в цинковой обманке (кроме того, галлий встречается в слюдах, в глинах и еще в некоторых минералах).

Галлий плавится всего лишь при 30 °C, и после ртути, которая плавится при минус 39°, галлий является одним из наиболее легкоплавких металлов и успешно заменяет при этом ртуть, пары которой, как известно, очень ядовиты, чего нельзя сказать про галлий. Поэтому галлий, как и ртуть, может быть применен в производстве термометров, но если ртутными термометрами обычно можно измерять температуру от минус 40 до плюс 360°, когда ртуть закипает, галлиевыми термометрами можно измерять температуру от плюс 30° до температуры размягчения стекла, то есть до 700–900°, а если взять кварцевое стекло, то и до 1500°, так как галий закипает при температуре 2300°.

Если стекло для трубок таких термометров взять специальное, огнеупорное, то таким термометром можно измерять температуру пламени или температуру многих металлов в расплавленном состоянии.

Кстати, у галлия есть еще одна интересная особенность: подобно тому, как вода тяжелее льда, и поэтому льдины плавают на воде, так и твердый металлический галлий легче, чем расплавленный, и способен плавать на жидком галлии.

Эта редкая особенность присуща еще висмуту, парафину, чугуну. У всех же остальных веществ — наоборот: твердое вещество при плавлении тонет в собственном расплаве.

Но вернемся к кадмию. Этот металл, кроме ценных легкоплавких сплавов, применяется в трамвайном хозяйстве.

Приходилось ли вам видеть старую трамвайную дугу? Какой глубокий желоб образуется в ней в результате постоянного трения о провод! Так же изнашивается и трамвайный провод, о который трется дуга.

И вот оказывается, что достаточно прибавить всего лишь 1 % кадмия, чтобы изнашиваемость проводов значительно уменьшилась. Кадмий в трамвайном хозяйстве применяется еще для получения цветных стекол для сигнальных фонарей. Прибавление сернистого кадмия к стеклу вызывает окраску стекла в красивый желтый цвет, а селенистого кадмия — в красный цвет.

Применение индия не менее интересно, чем применение кадмия.

Известно, что сплавы, содержащие медь, очень быстро и сильно разрушаются под действием соленой морской воды. И тем не менее не всегда можно эти сплавы заменить химически более устойчивыми веществами, которые требуются для подводных лодок и гидросамолетов. Оказывается, что если прибавить к этим сплавам очень небольшое количество индия, то их устойчивость по отношению к химическому действию соленой воды моря значительно возрастет.

Прибавление металлического индия к серебру значительно повышает его блеск, то есть повышает его отражательную способность. Это свойство использовано в производстве зеркал для прожекторов: индий, содержащийся в зеркале, заметно усиливает свет прожектора.

Совершенно неожиданными свойствами обладает редкий рассеянный элемент селен, ближайший родственник серы, обычно присутствующий в малых количествах в сернистых рудах.

В зависимости от освещенности селен резко изменяет свою электропроводность. Это свойство селена используется в технике передачи изображений по телеграфу и радио.