Реферати українською » Биология и химия » Гафній - "Жив елемент розсіяний"


Реферат Гафній - "Жив елемент розсіяний"

Страница 1 из 2 | Следующая страница

С.І.Венецкий

Навіть якби побіжному погляді на таблицю хімічних елементів у ньому неважко помітити явний географічний наліт: багато з її мешканці отримали імена на вшанування різних міст, країн, континентів. Зрозуміло, "пощастило" далеко ще не всім географічним назв. Так, з материків тільки в Європи і сподівалися Америки є хімічні "тезки". І це Азія, наприклад, виявилася менш везучої, ніж її сусідки по глобусу, хоча ситуація була дуже "близька до успіху". Ви самі ще у тому переконаєтеся, якщо ознайомитеся із подіями, що сталися у початку ХХ століття у Петербурзі.

Незадовго до його першої Першої світової одне із працівниківМинералогической лабораторії привіз до Петербурга з Забайкалля із Таманського півострова Святий Ніс мінералортит. Тоді ж увагу багатьох учених була прикута до проблеми радіоактивності. Оскільки були підстави вважати, що уортите міститься одне з найбільш цікавих радіоактивних елементів - торій, мінерал вирішили піддати хімічним аналізом. Який очолював лабораторію чудовий геохімік академік У. І. Вернадський доручив роботу своєму учневі До. А.Ненадкевичу. Невдовзі тому справді вдалося отримати відортита крупинки гаданого торію, але учений ні впевнений, що виділила саме торій. За порадою ВернадськогоНенадкевич визначив атомний вагу цього елемента.

Виявилося, що він дорівнює 178 з десятими частками, тоді як атомний вагу торію 232. Це означало, що, згідно з періодичним законом виділений зортита елемент має перебувати у таблиці Д. І. Менделєєва міжлютецием і танталом - у клітині № 72, яка на той ще пустувала.Ненадкевич урочисто оголосив Вернадського: "Ми відкрили новий елемент, Володимир Іванович!"

Хоч як великим було бажання оповістити про це відкриття науковий світ, Вернадський усе-таки визнав за потрібне попередити свого схвильованого учня: "Почекайте радіти. Це ж треба сто раз перевірити, як оголошувати..." Але відразу запитав: "Звідкиортит?"-"ИзЗабайкалья".-"Значит, вийшли з Азії. Ось і назвемо йогоазием".

Але, певне, долі було неугодним, щоб найбільший материк "поріднився" з простим хімічним елементом. Розпочата невдовзі перша світова війна, революція, громадянської війни відсували питання дослідженні нового елемента віддаляються і далі, до того дня, коли... Втім, думати забігати наперед, а розповімо вам інші події, мали саме прямий стосунок до описуваному елементу.

Коли Менделєєв "розселив" в таблиці всі відомі хімічні елементи, то клітина № 72 залишилася незайнятою. Можна була лише припустити, що атомний вагу її майбутнього мешканця близький до 180, а він, розташовуючись під цирконієм, повинен мати подібні до них властивості й у природі перебувати у компанії з нею. Про те, що у цирконієвих рудах присутній якась невідома домішка, багато хіміки підозрювали і зараз. У ХІХ столітті було опубліковано чимало повідомлень про нібито відкритому в мінералах цирконію новому елементі. Назви цього елемента змінювалися -остраний,норий,яргоний,нигрий,евксений, але вони жили трохи довше мильних бульбашок, оскільки ретельна наукова перевірка щоразу спростовувала висновки авторів цих "відкриттів".

З'ясування особистості "сімдесят другого" значною мірою ускладнювалося тим, що до цієї клітині таблиці примикало зліва ">густонаселенное гуртожиток", де мешкалиредкоземельное сімейство на чолі злантаном. Ніхто тоді до пуття не знав, скільки ж "рідкісних земель" існує у світі. Навколо елемента № 72разбушевались суперечки. Одні вчені продовжували вважати, що повинен бути хімічним родичем цирконію, інші із нею не погоджувалися, стверджуючи, що претендент з цього вакансію повинен матиредкоземельное "походження".

У 1895 року датчанин Юліус Томсен виступив із теоретичним обгрунтуванням першої погляду, проте супротивники й не думали складати зброю. На початку ХХ століття стало відоме ім'я французького хіміка ЖоржаУрбена. Він вніс чималий внесок у вивчення рідкісноземельних металів, зате елемент № 72 вправі пред'явити йому серйозні претензії. І ось.

У 1907 рокуУрбен відкривлютеций-тот, які займає в таблиці клітину № 71 і замикає правий фланг лавахлантаноидов. А самУрбен вважав, що злютецием повинен розташовуватися іще однаредкоземельний елемент. У 1911 року хімік заявив, що у рудах рідкісних земель їм відкритий цей останній представник сімействалантана, що його вправі зайняти порожнє "приміщення" № 72. Робота із вшанування древніх племен кельтів, колись які населяли територію Франції,Урбен назвав бикельтием.

Через двох років молодий англійський фізик ГенріМозли зробив надзвичайно важлива відкриття: йому належить, що заряд атомного ядра, чи, інакше кажучи, порядковий номер елемента, можна визначити дослідним шляхом - з урахуванням дослідження його рентгенівських спектрів. КолиМозли піддаврентгеноспектральному аналізу зразоккельтия, не виявив тих ліній, які мав порадити спектру елемент № 72.Мозли дійшов висновку: "Немає ніякогокельтия! ЕлементУрбена - лише суміш відомих рідкісних земель". ПротеУрбен як хотів погодитися з втратоюкельтия і поспішив пояснити малоприємні йому результати дослідівМозли недосконалістю приладів, якими той користувався. Позаяк восени 1915 року, борючись серед британського експедиційного корпусу наГаллипольском півострові поблизу протоки Дарданелли, ГенріМозли загинув, заперечитиУрбену вона вже було. Понад те, як у 1922 року співвітчизникУрбена фізик А.Довилье провів на його прохання прискіпливе дослідження і зазначив в спектрі сумішілантаноидов дві ледве помітні лінії, характерні для елемента № 72,кельтий знову знайшов "права громадянства".

Але радістьУрбена тривала недовго, і "допоміг" їй у цьому знаменитий датський фізик Нільс Бор. На той час електронна теорія будівлі атомів, розроблена Бором, вже цілком дозволяла створити модель атома будь-якого елемента. Відповідно до цієї теорії, атом елемента № 72 неможливо може бути схожа на атоми рідкісних земель, а, навпаки, мав скидатися на атоми елементів четвертої групи - титану, а цирконію.

Отже, в одній шальках терезів виявилися досліди і йдуть міркуванняУрбена, підкріплені експериментомДовилье, в інший - думка Менделєєва, міркуванняТомсена і забезпечувала розрахунки Бору, поки що непідтверджені практичними роботами. То ж прав?

Невдовзі відповідь було отримано. Далі його угорський хімік ДьєрдьХевеши і голландський фізик Дірк Вогнище. Цілком довіряючи авторитету Нільса Бору, вони спробували знайти елемент № 72 в мінералах цирконію. 1923-го їм пощастило знайти новий елемент в норвезької цирконієвої руді, а рентгеноспектральний аналіз показав, що заряд його атомного ядра дорівнює 72. По хімічним ж властивостями він, як і вважали Менделєєв, Томсен і Бор, виявився близьким аналогом цирконію. Оскільки наукової аргументації відкриття була бездоганної, в періодичної системі з'явилися нові назва - гафній.Хевеши і Вогнище дали йому це на вшануваннядревнелатинского назви Копенгагена (>Гафния), де відбулося його народження.

Хибність поглядівУрбена іДовилье не викликала вже сумнівів, ікельтию було винесено вирок: "З таблиці елементів виключити. Залишити лише анналах історії хімії". І хоча вирок остаточний і оскарженню не підлягав, вчені Франції, намагаючись відстояти пріоритет своїх співвітчизників, ще століття іменували елемент № 72 ">кельтием". Лише 1949 року 15-та конференція Міжнародної спілки чистої і прикладної хімії назавжди "поховала" цю назву.

Отже, хоч і схилилася на користь теорії: періодичний закон Менделєєва і електронна модель будівлі атома Бору тріумфували перемогу. Однак у цьому випадку, що з слабкі лінії бачив у спектрі сумішілантаноидовДовилье? Невже, щоб довести явно упереджену думкуУрбена, учений зробив угоду із чистою совістю? Нічого подібного.Довилье справді бачив ці лінії, і вони справді належали елементу № 72: ж інколи у природі гафній зустрічається що зредкоземельними металами. І це запровадило на манівці французького фізика.

Тепер настав час повернутися до початку нашої розповіді. Ви зрозуміли, має бути, що у петербурзькоїМинералогической лабораторії Вернадський іНенадкевич напали на слід саме гафнію, але, оскільки відкрити його "за всіма правилами" де вони встигли, елемент отримав свою назву над честь Азії, як пропонував Вернадський, а честь датської столиці, як побажалиХевеши і Вогнище, мали те що підстави.

Що ж являє собою гафній? Певне, зі читачів тримав у руці цей сріблисто-білий блискучий метал. У той самий час запаси їх у природі зовсім на назвеш мізерними: досить сказати, що гафнію в 25 разів більше, ніж срібла, й у тисячу (!) разів більше, ніж золота. І вже срібло і золото, напевно, бачив кожен. А чим пояснити такий парадокс?

У всьому винна надзвичайна неуважність гафнію: він розпилено побелу світу, що у всієї землі немає жодної родовища цього елемента. Немов тінь, він невідступно слід за цирконієм: у кожному мінералі цирконію є хоч трохи гафнію. Але тільки циркон, у якому кожні сто атомів цирконію доводиться загалом лише атом гафнію, можна використовувати промисловістю якгафниевое сировину. Однак між "можна використовувати" і металевим гафнієм лежить довгий і складний технологічний шлях. І ускладнює їх хто інший, як... цирконій.

Річ у тім, що цирконій і гафній - хімічні близнюки. "Отак близнюки, - вправі заперечити скрупульозний читач.- Адже цирконій було відкрито 1789 року і, отже, старше гафнію хіба що на півтора століття. Він топра-пра-прадедушки годиться!" І, тим щонайменше рідкісна пара елементів може продемонструвати настільки разючу подібність хімічних властивостей, яким мають цирконій і гафній. До цього часу не знайдено реакції, у якому вступав один із неї і не хотів би вступати інший.

Через це подібності хіміки так важко помічали гафній, і тому та виявився значно молодший цирконію. Вона ж ставить по дорозі технологів, прагнуть розлучити близнюків, численні "перепони і рогатки". Ще нещодавно потреби ділити цирконію і гафнію доводилося виконувати 500 операцій розчинення і кристалізації, заснованих на виключно буквально мікроскопічної відмінності у розчинності солей цих елементів. Неважко уявити, у що обходилася що таку процедуру. Тому лише якихось півтора тому хто б виготовляв гафнію впримишленних масштабах: потрібен він був лише для колег-науковців для дослідницьких цілей - їм вистачало кілька кілограмів на рік. Що ж до цирконію, що завжди містив домішки гафнію, то великою бідою це вважалося: "Гафній, так гафній. Хіба він заважає цирконієві?"

До часу гафній у самому справі не заважав своєму більш маститому побратиму. Цирконій зазвичай використали яккоррозионностойкий матеріал, і домішки гафнію, якому боротьби з корозією також цілком під силу, не ставали ложечкою дьогтю. Але коли його цирконій отримав відповідальне призначення - став служити "одягом" уранових стрижнів в ядерні реактори, кревність із гафнієм могло згубно спричинити його "кар'єру". Річ у тім, що, попри незвичайне подібність цих елементів, стосовно питання їх "думки" принципово розходяться.

">Пропускать або пропускати нейтрони"? - цю дилему кожен із новачків вирішує по-своєму: якщо цирконій практично прозорий для нейтронів, то гафній, навпаки, жадібно їх поглинає. Матеріал, куди "вдягають" уран, ні бути на заваді ініціаторів ядерної реакції. Чистий цирконій адресований цього якнайкраще. А присутність лише 2% гафнію погіршує "пропускну спроможність" цирконію удвадцятеро.

Вчені змушені були серйозно замислитися над проблемою отримання цирконію так званої реакторної чистоти, т. е. мало що містить гафнію (трохи більше 0,01%). Півтисячі операцій, зрозуміло, не влаштовували промисловість, і наука знайшла вихід: невдовзі розробили досить ефективний і економічніший спосіб очищення цирконію від гафнію. Гафній у виглядігидроксида, одержуваного у процесі поділу, спочатку розглядався як побічний продукт. Проте невдовзі ці погляди довелося змінити: техніці знадобився і саме гафній, причому навіщо б ви сподівалися? Для використання їх у... ядерні реактори, де зараз його колись вважався персоною "нон-грата".

Жоден реактор було працювати без регулюючих стрижнів, які, будучинейтрононепроницаемими, дозволяють керувати перебігом ядерної реакції. Коли регулюючі стрижні виведено з активної зони реактора, нейтрони знаходять простір, вони починають швидко "розмножуватися", реакція протікає дедалі енергійніше. Але за нейтронами потрібен очей так очей. Не стримувати їх "пориви", реактор перетвориться на... атомну бомбу з усіма звідси наслідками. Щоб цього не сталося, регулюючі стрижні поглинають надлишкові нейтрони. А спробуйте знайти найкращий поглинач нейтронів, ніж гафній, і з такої відмінної механічної міцністю, з такою умінням опиратися корозії і високим температур?

Якщо до початку 1950-х років було отримано менш 50 кілограмів гафнію, то вже через приблизно 10 років щорічне виробництво його досягало 60 тонн, причому на порядку денному вже постало питання про набуттяультрачистого гафнію - без згубних домішок цирконію, який розмішував йому працювати у цієї галузі.

Як і більшість інших нових матеріалів, гафній поки що дуже дорогий: за американськими даними,гафниевий прокат у кілька разів дорожче срібла. Це одного боку, стримує його застосування, з другого - пред'являє хімікам і металургам законна вимога: створити такі засоби одержання цього металу, яка б різко знизити його.

Значні перспективи має цієї мети застосування про іонообмінних смол. Якщо за колонку, що містить ці смоли, пропустити розчин цирконію і гафнію, то, на виході в розчині бракуватиме гафнію - він "застрягне" в смолах, а результаті наступної промивання колонки кислотою стане очищеним від цирконію.

На гафній починають претендувати різні ділянки техніки. Металурги, наприклад, не безпідставно вважають, що може благотворно проводити механічні властивості інших металів, брати участь у створенні спеціальнихжаростойких сталей.Тугоплавкость гафнію (температура плавлення понад 2200 °З!) у поєднанні ось щодо здатності швидко поглинати й віддаватиме тепло роблять його підхожим конструкційним матеріалом для деталей реактивних двигунів (турбінних лопаток, клапанів, сопла тощо. буд.). Щоправда, є одне "але": гафній кількатяжеловат-вдвое важче, ніж цирконій, і майже втричі, ніж титан, тож якусь-там з такоюлегковесом, як берилій, і порівнювати годі й говорити! У хімічному машинобудуванні цей недолік проявляється у меншою мірою, зате тут високіантикоррозионние властивості гафнію можуть бути оцінені гідно.

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація