Сергей Венецкий
Рассказы о металлах

НИОБИЙ

СОРОК ПЕРВЫЙ

Где вы прописаны? — Без эксцессов. — Соседи заинтригованы. — Посылка с берегов Колумбии. — 150 лет спустя. — Два открытия. — "Учинить ему новый допрос..." — В честь богини печали. – "Колумбисты" примиряются с судьбой. — Водой не разольешь. — Овчинка стоит выделки. — Нет худа без добра. — Признание. — Важные дела. — Выручает пустота. — Мороз не страшен. — Ошибка приводит к открытию. — Без всякого сопротивления. – Рекорд приходится уступить. – Как поймать двух зайцев? — Соперник циркония. — В борьбе с газом. — Ответственный медицинский работник. — Валютные операции. – Предсказание сбывается.

К середине прошлого века было открыто уже несколько десятков химических элементов. Но, увы, они не имели тогда ни собственного угла, ни постоянной прописки. И лишь в 1869 году, когда Дмитрий Иванович Менделеев построил многоэтажное здание своей Периодической системы, все открытые к тому времени элементы обрели, наконец, пристанище.

При распределении жилой площади заслуги будущих жильцов перед наукой и техникой, а также стаж работы во внимание не принимались. Учитывались только личные качества (в первую очередь атомная масса), наклонности, сходство с ближайшими соседями. Большую роль при этом играли и связи (разумеется, химические). Во избежание возможных неурядиц жильцов с разными характерами и взглядами на жизнь размещали как можно дальше друг от друга.

В пятом подъезде (т.е. в пятой группе) на пятом этаже (точнее, в пятом периоде) в квартире №41 поселился жилец с красивым именем - Ниобий. Кто он такой? Откуда родом?

...В середине XVII века в бассейне реки Колумбии (Северная Америка) был найден тяжелый черный минерал с золотистыми прожилками слюды. Вместе с другими камнями, собранными в различных частях Нового Света, этот минерал (названный впоследствии колумбитом) был отправлен в Англию в Британский музей. Без малого 150 лет пролежал камень под стеклом на стенде музея, числясь в списке экспонатов образцом железной руды. Но вот в 1801 году известный уже в то время химик Чарльз Хатчет заинтересовался этим красивым минералом. Анализ показал, что в камне действительно содержались железо, марганец, кислород, но наряду с ними имелся и какой-то незнакомый элемент, образующий вещество со свойствами кислотного оксида. Новый элемент Хатчет назвал колумбием.

Спустя год шведский ученый Андрее Густав Экеберг в некоторых скандинавских минералах нашел еще один новый элемент, названный им в честь мифологического героя танталом. Название, по-видимому, символизировало те трудности ("муки Тантала"), которые испытывали химики, пытаясь растворить оксид нового элемента в кислотах. Свойства тантала и колумбия оказались совершенно идентичными, и многие ученые, в том числе знаменитый Йене Якоб Берцелиус, решили, что имеют дело не с двумя различными элементами, а с одним и тем же - танталом.

В дальнейшем Берцелиус усомнился в правильности такой точки зрения. В письме к своему ученику немецкому химику Фридриху Вёлеру он писал: "Посылаю тебе обратно твой X, который я вопрошал, как мог, но от которого я получил уклончивые ответы. "Ты титан?" - спрашивал я. Он отвечал: "Вёлер же тебе сказал, что я не титан". Я также установил это. "Ты цирконий?" - "Нет, - отвечал он. - Я же растворяюсь в соде, чего не делает цирконовая земля". - "Ты олово?" - "Я содержу олово, но очень мало" - "Ты тантал?" - "Я с ним родствен, - отвечал он. - Но я постепенно растворяюсь в едком кали и осаждаюсь из него желто-коричневым". - "Ну что же ты за дьявольская вещь?" - спросил я. Тогда мне показалось, что он ответил: "Мне не дали имени". Между прочим, я не вполне уверен, действительно ли я это слышал, потому что он был справа от меня, а я очень плохо слышу на правое ухо. Так как твой слух лучше моего, то я тебе шлю этого сорванца назад, чтобы учинить ему новый допрос..."

Но и Вёлеру не удалось разобраться во взаимоотношениях элементов, открытых Хатчетом и Экебергом. Лишь в 1844 году немецкий химик Генрих Розе после многотрудных поисков, на которые ушло полтора десятка лет, сумел доказать, что минерал колумбит содержит два различных элемента - тантал и Колумбии, которому Розе дал новое имя - "ниобий" (по древнегреческой мифологии богиня печали и страданий Ниоба - дочь Тантала). Однако в некоторых странах (США, Англии) долго сохранялось первоначальное название элемента - Колумбии, - и только в 1950 году Международный союз чистой и прикладной химии решил покончить с этой разноголосицей и предложил химикам всего мира именовать этот элемент ниобием.

Первое время американские и английские химики пытались добиться отмены этого решения, которое казалось им несправедливым, но приговор был окончательным и обжалованию не подлежал. Пришлось "колумбистам" примириться с этим ударом судьбы, а в химической литературе США и Англии появился новый символ "Nb".

Совместное проживание ниобия и тантала в природе, обусловленное их чрезвычайным химическим сходством, долгое время тормозило развитие промышленности этих металлов. Лишь в 1866 году швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк сумел разработать первый промышленный способ разделения химических близнецов. Он воспользовался различной растворимостью некоторых соединений этих металлов: комплексный фторид тантала не растворяется в воде, аналогичное соединение ниобия достаточно хорошо растворимо в ней. В усовершенствованном виде способ Мариньяка применяли до недавнего времени, однако, сейчас на смену ему пришли новые, более эффективные способы - избирательная экстракция, ионный обмен, ректификация галогенидов.

В конце XIX века французский химик Анри Муассан получил чистый ниобий электротермическим путем, восстанавливая оксид ниобия углеродом в электропечи.

В наши дни производство металлического ниобия представляет собой сложный многостадийный процесс. Сначала ниобиевую руду обогащают. Полученный концентрат сплавляют с различными плавнями (едким натром, гидросульфитом или содой), затем выщелачивают, в результате чего выпадает нерастворимый осадок гидроксида ниобия и тантала. Затем близнецов разлучают, и ниобий оказывается в виде оксида или хлорида. Восстановлением этих соединений при высокой температуре удается получить порошкообразный ниобий, который нужно превратить в компактный металл, пригодный для обработки.

Это достигается следующим образом. Из порошка под большим давлением прессуют так называемые штабики (заготовки) прямоугольного или квадратного сечения. Штабики спекают в вакууме в несколько этапов, причем на заключительной стадии температура достигает 2350°С. В дальнейшем ниобий поступает в дуговую вакуумную печь, где и завершается весь цикл превращения ниобиевой руды в металл.

Несколько лет назад промышленность освоила электроннолучевую плавку ниобия, исключающую такие трудоемкие промежуточные операции, как прессование и спекание. При этом способе на порошкообразный ниобий направляют мощный поток электронов. Порошок начинает плавиться, и капли металла падают на ниобиевый слиток, который по мере проплавления порошка растет и постепенно выводится из рабочей камеры.

Как видите, ниобий проходит длинный путь, прежде чем руда становится металлом. И все же овчинка стоит выделки: сегодня ниобий очень нужен промышленности. А начинал он свою трудовую деятельность в... отвалах.

Как это ни парадоксально, но в те времена его считали лишь вредной примесью к олову и при добыче этого металла громадные количества ниобия выбрасывали на свалку. Та же учесть постигла его и тогда, когда промышленный мир заинтересовался танталом, а к ниобию еще оставался равнодушным: при переработке танталовых руд ниобиевая "пустая" порода шла в отвал. Но нет худа без добра, и впоследствии, когда ниобий был по достоинству оценен человеком, эти отходы производства превратились в богатейшие "месторождения" ниобиевых руд.

После того как в 1907 году немецкому химику Вернеру фон Больтону удалось получить этот металл в компактном виде, ниобий, подобно многим другим своим тугоплавким собратьям, попробовал свои силы в производстве электроламп в качестве материала для нитей накаливания. Но, как известно, прижился здесь только вольфрам, а всем остальным пришлось искать удачи на другом поприще.

К 1925 году относятся первые попытки использовать ниобий в качестве легирующего элемента: в США были проведены исследования по замене им вольфрама, содержащегося в быстрорежущей стали. Эти опыты оказались неудачными, но важно было другое: ниобий попал в поле зрения металлургов.

В 1930 году общий мировой запас изделий из ниобия (листов, проволоки и др.) составлял всего... 10 килограммов . Но вскоре пришло признание, а вместе с ним резко возросло и производство этого металла. Ниобий сумел доказать, что он с полным правом может быть назван "витамином" стали. Присадка его к хромистой стали улучшала ее пластичность, увеличивала коррозионную стойкость. Было установлено, что введение в нержавеющую сталь ниобия (до 1%) предотвращает выделение карбидов хрома по границам зерен и, следовательно, устраняет межкристаллитную коррозию. Добавка его к конструкционным сталям значительно повышает сопротивление удару при пониженных температурах; сталь приобретает способность легко выдерживать переменные нагрузки, что имеет большое значение, например, в авиастроении.

Важную роль было суждено сыграть ниобию в сварочном деле. До тех пор, пока сварке подвергали лишь обычные стали, никаких трудностей этот процесс не представлял. Но когда сварщикам пришлось иметь дело со специальными легированными сталями сложного химического состава, например с нержавеющей, оказалось, что сварной шов теряет многие ценные свойства, которыми обладает свариваемый металл. Как улучшить качество шва? Пробовали изменить конструкцию сварочного аппарата - не помогло. Меняли состав электродов - безуспешно. Пытались вести сварку в атмосфере инертных газов - никакого эффекта. Вот тут-то на помощь пришел ниобий. Сталь, в которую был введен этот элемент, можно было сваривать, не беспокоясь о качестве шва: он ни в чем не уступал соседним слоям металла, не подвергавшимся сварке.

До последнего времени большие трудности возникали при необходимости получить прочное соединение тугоплавких металлов, например ниобия с молибденом. Выручила... пустота. Оказалось, что в вакууме температура плавления многих веществ значительно ниже, чем в обычных условиях. Ученые не замедлили воспользоваться этим обстоятельством, чтобы преодолеть барьер "несовместимости": сварка тугоплавких металлов в вакууме дала отличные результаты.

Как легирующий элемент ниобий широко известен в цветной металлургии. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него ввести всего 0,05% ниобия. Медь и ее сплавы при добавке этого элемента приобретают твердость, титан, молибден и цирконий становятся более прочными и жаростойкими. При низких температурах многие сплавы и стали хрупки, как стекло. Оказалось, что ниобий в состоянии избавить их от этого недостатка. Небольшая добавка ниобия позволяет металлу сохранять свою прочность даже при восьмидесятиградусных морозах. Это качество особенно важно для деталей реактивных самолетов, летающих на больших высотах.

Сам ниобий охотно вступает в союз с другими элементами. Когда одна из американских фирм выпустила партию якобы сверхчистого ниобия, заказчики были весьма удивлены, что он не плавится при 2500°С, хотя температура плавления чистого ниобия несколько ниже. Лабораторный анализ помог установить, что в этом "сверхчистом" ниобии содержались небольшие количества циркония. Так неожиданно был открыт сверхжаростойкий ниобий-циркониевый сплав.

Ряд ценных качеств придают ниобию и добавки других металлов. Вольфрам и молибден повышают теплостойкость металлического ниобия, алюминий делает его прочнее, медь значительно улучшает его электропроводность. Чистый ниобий проводит электрический ток почти в десять раз хуже, чем медь. Сплав же ниобия с 20% меди обладает высокой электропроводностью и при этом он вдвое прочнее и тверже чистой меди. В союзе с танталом ниобий способен противостоять серной и соляной кислотам даже при 100°С.

Ниобий - незаменимая составная часть сплавов для рабочих лопаток турбин реактивных двигателей, где металл должен сохранять свою прочность при высоких температурах. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия изготовлены некоторые детали сверхзвуковых самолетов, космических ракет, искусственных спутников Земли.

Еще совсем недавно явлением сверхпроводимости интересовались только физики. Сейчас сверхпроводимость уже перешагнула границы лабораторий и начинает вторгаться в технику, где для ее практического применения открываются широкие перспективы. В чем же сущность этого явления?

Более 70 лет назад было обнаружено, что при очень низких температурах в некоторых металлах, сплавах и химических соединениях ток начинает протекать без всяких потерь - сопротивление исчезает. Но для этого металл нужно охладить почти до абсолютного нуля, т.е. до -273°С. Очень высокой (если только здесь уместен этот термин), а значит, сравнительно легко достижимой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (18К, или -265°С) характеризуется станнид ниобия - соединение ниобия с оловом. Изготовленные из него сверхпроводящие магнитные катушки создают колоссальные магнитные поля: магнит размером чуть больше обычной консервной банки, в котором обмоткой служит лента из такого соединения, способен создать поле напряженностью в 100 тысяч эрстед (для сравнения укажем, что напряженность магнитного поля Земли составляет всего несколько эрстед).

Долгое время станнид ниобия считался рекордсменом по температурному порогу сверхпроводимости, но в 1974 году он вынужден был уступить этот титул другому представителю семейства ниобия - его германиду, т.е. соединению с германием. Теперь рекордная критическая температура, ниже которой наблюдается эффект сверхпроводимости, составляет примерно 23 К (или -250°С). В экспериментах, проведенных американскими учеными, через квадратный сантиметр пленки из германида ниобия удавалось передать ток в миллион ампер. Это значит, что для снабжения электроэнергией среднего по величине города достаточно будет двух небольших, толщиной с карандаш, сверхпроводящих трубок.

Ниобий широко используют в технике и в чистом виде. Исключительно высокая коррозионная стойкость этого металла обусловила его применение в химическом машиностроении. Интересно, что при изготовлении аппаратуры и трубопроводов солянокислотного производства ниобий не только служит конструкционным материалом, но и играет при этом роль катализатора, давая возможность получить более концентрированную кислоту. Каталитические способности ниобия используют и в других процессах, например при синтезе спирта из бутадиена.

Весьма почетна и служба ниобия в атомных реакторах, где он трудится бок о бок с цирконием, порой вполне успешно конкурируя с ним. Подобно цирконию, ниобий обладает нейтронной прозрачностью (т.е. способностью пропускать нейтроны) и наряду с этим очень высокой температурой плавления, значительной жаростойкостью, стойким сопротивлением химическим воздействиям, отличными механическими свойствами. Кроме того, ниобий почти не взаимодействует с расплавленными щелочными металлами. Жидкие натрий и калий, применяемые в качестве теплоносителей в ядерных реакторах некоторых типов, могут свободно циркулировать по ниобиевым трубам, не причиняя им никакого вреда. Для ниобия характерна невысокая искусственная (наведенная) радиоактивность, поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

Следует упомянуть еще об одном интересном свойстве этого металла: он отличный газопоглотитель. Так, при обычной температуре в 1 грамме ниобия может быть растворено более 100 кубических сантиметров водорода; даже при 500°С растворимость водорода в ниобии составляет около 75 кубических сантиметров на грамм. Это свойство металла используют в производстве высоковакуумных электронных ламп. При откачивании ламп в них все же остается некоторое количество газов, мешающих работе. Ниобий, нанесенный на детали ламп, как губка, поглощает эти газы, обеспечивая тем самым весьма высокий вакуум. Детали электронных ламп, изготовленные из ниобия, более экономичны, чем танталовые или вольфрамовые, и служат гораздо дольше. Так, срок службы мощных генераторных ламп с ниобиевым катодом достигает 10 тысяч часов.

Как и тантал, ниобий совершенно не вызывает раздражения тканей человеческого тела, срастается с ним и остается инертным даже после длительного воздействия жидкой среды организма. Благодаря этим свойствам ниобий обратил на себя внимание хирургов и теперь с полным правом может считать себя ответственным медицинским работником.

В последнее время поговаривают, что ниобий решил всерьез заняться... валютными операциями. Дело в том, что в связи с нехваткой серебра американские финансисты предполагают для изготовления металлических денег использовать вместо него ниобий, поскольку стоимость ниобия примерно соответствует стоимости серебра.

Если проследить по различным литературным источникам за данными о содержании ниобия в земной коре, то окажется, что на протяжении последних нескольких десятков лет оно постоянно... возрастает. Разумеется, фактические запасы этого металла на нашей планете остаются практически постоянными, а вот число разведанных месторождений его все время увеличивается. В последние годы новые значительные залежи ниобиевых руд обнаружены в Африке. Самый крупный поставщик концентратов ниобия на мировой рынок - Нигерия, где расположены громадные скопления колумбита.

В нашей стране подлинной кладовой полезных ископаемых по праву считается Кольский полуостров. Веками земли этого края слыли бесплодными и бесполезными, хотя еще в 1763 году М. В. Ломоносов предсказывал: "По многим доказательствам заключаю, что и в северных земных недрах пространно и богато царствует натура и берега Белого моря должны быть не скудны минералами". За годы Советской власти здесь открыто множество важных месторождений, найдены десятки ценных минералов, в том числе попарит, содержащий до 8% ниобия. Любопытно, что этот минерал, обнаруженный замечательным исследователем Кольского полуострова академиком А.Е. Ферсманом в Хибинах, ни в каких других местах земного шара не встречается.

...Вот вы и познакомились с жильцом квартиры №41, на дверях которой висит табличка с надписью "Ниобий".

Список тем