Rubidium_1

Земная кора состоит из многих десятков химических элементов. Только 15 из них являются сравнитель­но частыми и обычными: их мы можем встретить. При этом некоторые из более редких и рассеянных элементов образуют крупные скопления в форме рудных минералов в рудных зале­жах; другие, как, например, золото или платина, содержание которых в земной коре очень невысоко, образуют мельчайшие, едва видимые крупинки самородных металлов и только очень редко — более крупные самородки.

Но как они ни редки, они встречаются в виде самостоятель­ных минералов, пусть даже очень мелких, даже таких мелких, что глазу не видно, но все-таки в виде своих собственных мине­ралов. А вот есть такие химические элементы, которых мало в земной коре, и своих минералов они не образуют. Химиче­ские соединения этих элементов растворены в других, более обыкновенных минералах; растворены подобно тому, как соль или сахар растворяются в воде, когда по внешнему виду не скажешь, чистая ли это вода или в ней что-то растворено.

Точно так же трудно и не всегда можно по внешнему виду минералов судить, какие химически растворенные примеси в них содержатся. Если воду достаточно попробовать на вкус, чтобы сказать, безвкусная она, соленая или сладкая, то хими­ческий анализ минералов производится значительно сложнее, и особенно трудно выделить те химические элементы, которые прячутся в чужих минералах.

Сложный, длинный путь странствований по расплавам н по растворам прошли химические элементы, прежде чем в горных породах или в минеральных жилах они соединились в твердые минералы, наиболее устойчивые химические соединения. На этом длинном пути они испытали много различных превраще­ний. Вместе и неразлучно прошли этот путь только те, которые особенно похожи друг на друга.

А чем больше сходство в химических свойствах двух каких- либо элементов, тем труднее найти такую химическую реак­цию, которой их можно было бы разделить. И вот некоторые редкие элементы, вместо того чтобы выделиться в виде своих минералов, растворились, рассеялись иногда по многим мине­ралам других химических элементов; поэтому мы и называем их редкорассеянными элементами.

Что же это за элементы? В обыденной жизни и даже на школьных уроках по химии о них не услышишь, хотя с раз­витием техники эти элементы все больше и больше входят в наш обиход.

Это галлий, индий, таллий, кадмий, германий, селен, теллур, рений, рубидий, цезий, радий, скандий и гафний. Мы пе­речислили только наиболее характерные, но при желании этот список можно было бы еще увеличить. Давайте посмотрим, где же и как эти редкие и рассеянные элементы находятся в природе, как человек научился их от­крывать в других минералах и где они употребляются.




Вот перед нами лежит желтовато-бурый минерал, который в изломе часто образует совершенно ровные блестящие грани. Минерал этот довольно тяжелый, но внешне мало напоминает собою руду, хотя это и руда. Этот минерал называется цинковой обманкой, или, иначе, сфалеритом. Состав его очень прост: на один атом цинка приходится атом серы. Но это только основной фон, это только главные составные части. Простота состава цинковой обманки только кажущаяся. Если наш образец желтовато-бурый, то другие образцы этого же минерала могут быть и бурыми, и темно­бурыми, и черно-бурыми, и даже совсем черными и тогда уже обладают настоящим металлическим блеском.

В чем же дело?

Оказывается, что темная окраска цинковой обманки зави­сит от растворённой в ней примеси сернистого железа: цинко­вые обманки, не содержащие железа, почти бесцветны или желтовато-зеленого и светло-желтого цвета. Чем больше желе­за, тем менее окрашена цинковая Обманка. Значит, в отноше­нии железа верным указателем служит окраска этого минера­ла. Изучение внутреннего строения цинковой обманки рентге­новскими лучами показало, что отдельные частицы цинка и серы в ней расположены так, что каждый атом цинка окружен четырьмя атомами серы, а каждый атом серы — четырьмя атомами цинка.

И вот на место отдельных атомов цинка встало железо и вызвало окраску цинковой обманки, причем атомы железа расположились вполне равномерно; атом железа встал или вместо каждого сотого атома цинка, или вместо каждого пяти­десятого, или каждого тридцатого, двадцатого, десятого… И вот тут-то гостеприимный хозяин — цинк — обратился к же­лезу 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 и 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 оказать 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 темно — окрашенные 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 и рассеянных элементов оказывается делом не простым и требует особых приемов. Высокая ценность заставляет искать их даже тогда, когда процент содержа­ния их очень мал. На помощь обычному химическому анализу и 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 редкорассеянные 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 летках. Рубидий и цезий дают зеркала, легко испускающие элек­троны, что делает их незаменимыми в фотоэлементах. Давайте проследим, где и как применяются редкие и рассеянные элементы  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° С, 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 оказать 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 1 500°, так как галий закипает при температу­ре 2 300°.

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 трётся дута.  И вот оказывается, что достаточно прибавить всего лишь 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. На этом построены многие автоматические контролеры, регистрирую­щие светлые или темные детали на конвейере. Наконец, точное измерение освещенности стало возможным только благодаря селену.

Другое важное применение селена — в производстве чис­того, бесцветного стекла. Стекло обычно варится из кварцевого песка, извести и щелочи (сода или сернокислый натрий). Песок стараются брать возможно более чистый, особенно не содержа­щий железа, потому что железо в стекле придает ему зеленова­тый оттенок, которым, например, обладает бутылочное стекло.

Достаточно ничтожных количеств железа, чтобы эта окрас­ка появилась. А для оконных стекол нужно чистое, бесцветное стекло; еще лучшего качества стекло необходимо для очков, и совершенно безукоризненное стекло нужно для оптических приборов: микроскопов, биноклей, телескопов. Если прибавить в расплавленное стекло селенистокислого натрия, то селен вхо­дит в химическое соединение с железом, извлекая его тем са­мым из стекольного расплава, и получается прекрасное бес­цветное стекло.

Для производства специальных оптических приборов, для светосильных биноклей, дающих сильное увеличение, для све­тосильных фотоаппаратов стекло должно обладать еще рядом специальных свойств. И это достигается прибавлением в не­больших количествах двуокиси германия.

Германий — это один из редких и рассеянных элементов, который, как и селен, присутствует в малых количествах в некоторых разновидностях цинковых обманок. Германий встре­чается также в некоторых сортах каменного угля.

Итак, мы познакомились с тем, как редкие и рассеянных элементы ведут себя в минералах и рудах. Мы познакомились с некоторыми свойствами этих необычных металлов и их свое­образным применением. Важность этих применений объясняет нам, почему геохи­мия уделяет много внимания редкорассеянных элементов.

Print Friendly

Это интересно: