процента алюминия, вдвое прочнее и в полтора раза легче нержавеющей стали. При 500 градусах прочность его выше, чем у нержавеющей стали при комнатной температуре. Соединяясь с углеродом, титан образует очень твердый карбид, использование которого в резцах позволяет в десятки раз увеличить скорость резания.
Широкое применение имеют и другие соединения титана. Вот одно из них — окисел TiO2. Это белая краска и материал для керамической промышленности. Это соединение — компонент тугоплавких стекол и катализатор некоторых реакций. Только в качестве белил ежегодно используют до 200 тысяч тонн этого вещества.
Запасы титановых руд в природе велики. Это титаномагнетиты, содержащие вместе железо, титан и ванадий, минерала ильменит (железная соль титановой кислоты FeTiO3) и рутил TiO2.
Подготовка исходного сырья для производства титана сводится к получению его двуокиси. Дальше TiO2 восстанавливают углеродом в струе хлора, получая четыреххлористый титан:
TiO2 + С + 2Cl2 = TiCl4 + CO2.
Чтобы из этого соединения выделить сам металл, действуют на него металлическим магнием, который и «забирает» хлор, давая титан в виде губчатой массы:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2.
Чтобы получить компактный металл, эту массу нужно переплавить. Процесс ведут или в вакууме, или в атмосфере инертного газа — аргона, чтобы не ухудшать свойств металла из-за поглощения им азота и кислорода из воздуха. И все-таки полученный таким образом металл не раскрывает всех своих способностей из-за недостаточной чистоты. Поэтому приходится дополнительно очищать его. Особенно чистый металл получают йодидным методом, имеющим большое значение в производстве не только титана, но и циркония и других новых металлов.
Выделенный из хлорида металл… превращают в йодид. Какой в этом смысл? А вот какой. Образовавшийся при 300 градусах TiJ4 легколетуч, поэтому он возгоняется в вакууме. На своем пути пары TiJ4 встречают раскаленную (1400 градусов) проволочку из титана. При такой температуре йодид разлагается, давая титан и йод. Чистый титан оседает на проволочке, а йод снова возвращают в процесс, и он переносит «на своих плечах» следующую порцию металла. Температуру возгонки регулируют, чтобы испарялся только йодид титана, а другие йодиды оставались на дне аппарата. Как видите, процессы сложные, требующие — в промышленных масштабах! — применения вакуума, инертного газа, объемистой аппаратуры, способной противостоять такому агрессору, как хлор… Не удивительно, что если стоимость руды принять за единицу, то стоимость готового чистого металла чуть ли не в 500 раз выше. Дорого? Да. Однако уже сегодня к титану не применима известная пословица: «Мал золотник, да дорог». Дорог пока — это верно. Но не мал. Помните, каким бурным был рост производства алюминия? Так вот, производство титана растет втрое быстрее.
Титан прочно «стал на ноги» в современной технике. Но жизнь не стоит на месте. На дорогу, ведущую из области редких элементов в область обычных материалов техники, становятся новые замечательные материалы.
Новые металлы на старте
В семействе тугоплавких металлов не последнее место занимают элементы-близнецы цирконий и гафний. Оба они — аналоги титана, поэтому любой из вас, даже не знакомый до сих пор с этими металлами, легко поверит, что они должны обладать не менее замечательными свойствами, чем титан.
Интересна история этих элементов. Цирконий был открыт очень давно — в 1789 году, гафний же, всегда «сопровождавший» его и в природе и в лабораторных препаратах, оставался незамеченным в течение более 130 лет благодаря чрезвычайной схожести с цирконием. О причине этой схожести — так называемом «лантаноидном сжатии» — будет сказано ниже.
Еще лет 20 назад цирконий использовали в очень небольших количествах, да и то в виде двуокиси ZrO2, служившей хорошим огнеупорным материалом. Металлический цирконий использовался мало (в качестве ценного, но слишком дорогого легирующего элемента). К жизни этот металл был вызван развитием ракетостроения и атомной техники.
Минералами циркония являются циркон ZrSiO4 и баддалеит ZrO2. Встречаются они в значительных количествах, причем в месторождениях, кроме циркона и баддалеита, часто содержатся также рутил, ильменит, редкоземельные элементы и торий в виде окислов.
Задача разделения их — нелегка. Многие минералы, как известно, можно разделить по удельному весу, подбирая такие растворители, в которых одни всплывают, другие остаются на дне. Здесь этот метод не годился: удельные веса компонентов слишком близки. Изучение свойств составных частей сложной смеси минералов, содержащих цирконий, дало решение проблемы: все они обладают разными магнитными свойствами. Это позволило применить магнитную сепарацию.
Концентрат циркона, содержащий лишь небольшие количества примесей, частично используется в керамической промышленности, частично в качестве огнеупоров. Из него же выплавляют и металлический цирконий. Темпы роста производства циркониевых концентратов очень велики — от 4500 тонн в 1940 году до 90 000 тонн в 1955 году и 143 тысяч тонн в 1959 году (без СССР). Выплавка металла, составляющая в 1955 году около 1000 тонн, к 1959 году выросла втрое.
Металлический цирконий получают так: смесь циркона спекают при 650–670 градусах с кремнефтористым калием. При этом выделяется SiO2, a Zr занимает место кремния: ZrSiO4 + K2SiF6 = 2SiO2 + K2ZrF6. Полученную соль растворяют в воде, а затем кристаллизуют. Эту соль можно восстановить металлическим натрием или, превратив в ZrCl4, выделить металлический цирконий действием магния.
Очищают цирконий, как и титан, йодидным методом. Впрочем, оговоримся сразу: таким методом цирконий нельзя очистить от его «тени» — гафния, который на протяжении всего описанного процесса следует за ним.
Примесь гафния — от 1 до 3 процентов — иногда не мешает использованию циркония. Ведь если говорить об устойчивости против коррозии, то она велика у обоих «близнецов». Механические свойства также примерно одинаково хороши. Однако в атомной промышленности, которая как раз предъявляет заявку на цирконий и его сплавы, примесь гафния сводит на нет все замечательные качества циркония: если последний практически «прозрачен» для инициаторов ядерной реакции — нейтронов, то гафний жадно поглощает их, и атомная промышленность требует тщательного отделения гафния.
В настоящее время эта сложнейшая задача успешно решена наукой и техникой.
Гафний наряду с цирконием используется в радио- и рентгенотехнике и атомной промышленности, однако неизмеримо меньше. Мировое производство гафния в 1959 году составляло лишь 30 тонн.
Теперь нам предстоит познакомиться еще с одной парой «близнецов» — с ниобием и танталом.
История открытия ниобия очень интересна. Настоящие ученые всегда немного поэты. Правда, в строгих рамках научных статей это увидеть трудно. Но вот перед нами письмо, написанное одним знаменитым химиком другому по поводу открытия нового элемента, который мы теперь называем ниобием.
Берцелиус — Вёлеру:
«Посылаю тебе обратно
