Цирко́ний (лат.Zirconium; обозначается символом Zr) — элемент4-й группы, пятого периода периодической системы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы четвёртой группы, IV-B) с атомным номером 40. Как простое вещество цирконий представляет собой блестящий переходныйметалл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью и устойчив к коррозии.
Цирконий в виде диоксида впервые был выделен в 1789 году немецким химиком Клапротом в результате анализа минерала циркона (природного силиката циркония). В свободном виде цирконий впервые был выделен в 1824 году шведским химиком Берцелиусом. Свободный от примесей чистый цирконий удалось получить лишь более чем через 100 лет (А. ван Аркель, 1925 год). Происхождение самого слова циркон неясно. Возможно, оно происходит от арабского zarkûn (киноварь) или от персидского zargun (золотистый цвет).
«Nature» от 20 января 1923 г. сообщает об открытии нового химического элемента. Ещё в конце прошлого века Томсон предположил, что область редких земель, начинаясь с La, должна кончиться на 71 месте Менделеевской таблицы, и 72 место должно быть занято аналогом циркония...[1]
...подвергли исследованию рентгеновыми лучами природные цирконы и различные циркониевые соединения. Рентгеновский спектр с несомненностью во всех случаях указал на присутствие примеси нового элемента с атомным номером 72.[1]
Самые обычные минералы, которые мы привыкли встречать повсюду, или вовсе отсутствуют на Хибинах, или же являются большой редкостью. Зато здесь часто приходится наталкиваться на целые россыпи редчайших соединений циркония, титана или редких земель.[2]
Эвдиалит — красивый красный камень, нередко с фиолетовым или буроватым оттенком, является чрезвычайно ценной рудой, из которой выплавляется цирконий, применяется в металлургии.[3]
Марганец и еще два элемента ― хром и цирконий ― вводятся в небольших количествах почти во все алюминиевые сплавы. Они очень сильно влияют на структуру и свойства металла.[6]
В средние века были хорошо известны ювелирные украшения из так называемых несовершенных алмазов. <...> Средневековые ювелиры не знали, что используемый ими драгоценный минерал ― это монокристаллы циркона, основного минерала циркония.[7]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о цирконии и его соединениях», 1967
Высокая коррозийная стойкость циркония позволила применить его в нейрохирургии. Из сплавов циркония делают кровеостанавливающие зажимы, хирургический инструмент и иногда даже нити для наложения швов при операциях мозга.[7]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о цирконии и его соединениях», 1967
Среди свойств циркония есть и жадное стремление поглощать газы. Это свойство используется для поддержания вакуума в вакуумных электро- и радиолампах.[8]
— Михаил Васильев, «Металлы и человек», 1967
В девятнадцатом и начале двадцатого века многие учёные пытались получить чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) в 300 раз дороже концентрата! Проблема экономичного разделения циркония и гафния ещё ждёт своего решения.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Наиболее ярким примером химической аналогии элементов может служить сходство циркония и гафния. До сих пор не найдено реакции, в которую вступал бы один из них и не вступал другой.[10]
Цирконий был открыт ещё в XVIII веке, а гафний настолько удачно маскировался под цирконий, что в течение полутора веков ученые, исследовавшие минералы циркония и продукты их переработки, даже не подозревали, что фактически имеют дело с двумя элементами.[10]
Нельзя забывать ещё об одном важном применении натрия. Как один из самых активных восстановителей элемент №11 используют для получения некоторых редких металлов, например циркония.[11]
Выстрел и взрыв гранаты произошли почти одновременно, и сорок граммов обращенного в плазму циркония иглой прошли сквозь стеклопластик направляющей, сквозь титан и керамику ракетной ступени, сквозь толщу горючего (испаряя и поджигая его) ― вплоть до центрального канала двигателя, наполненного воспламеняющим составом.[12]
Во всех процессах горения, в которых из экономии пользуются кислородом воздуха, в пламя приходится вводить и азот, объем которого в четыре раза больше объема кислорода: развиваемая в пламени теплота расходуется на совершенно бесполезное нагревание азота, что отзывается и на температуре пламени. Устранить этот охлаждающий фактор нетрудно, если пользоваться не атмосферным воздухом, а чистым кислородом, вводя его вместо воздуха во внутренний канал паяльной лампы: при раскаливании в этом пламени известкового цилиндра или пластинки из окиси циркония мы получаем ослепительный свет (друммондов свет) и можем пользоваться этим источником для проекционного фонаря.[13]
— Пётр Лебедев, «Способы получения высоких температур», 1899
Реакции солей иттрия очень близки по характеру к солям циркония.[14]
— Н. Я., «Иттрий в земной коре», 1923
«Nature» от 20 января 1923 г. сообщает об открытии нового химического элемента. Ещё в конце прошлого века Томсон предположил, что область редких земель, начинаясь с La, должна кончиться на 71 месте Менделеевской таблицы, и 72 место должно быть занято аналогом циркония, ничего общего не имеющим по свойствам с плеядой редко-земельных металлов. <...> Hevesy и Coster в физической лаборатории в Копенгагене попытались подойти к решению задачи иным путем и достигли успеха. Согласно идее Томсена, они подвергли исследованию рентгеновыми лучами природные цирконы и различные циркониевые соединения. Рентгеновский спектр с несомненностью во всех случаях указал на присутствие примеси нового элемента с атомным номером 72. В природных цирконах количество его достигает 1%, а в продажных препаратах окиси циркония содержится от 0,1% до 0,01%.[1]
Чтобы получить рекордное количество пустот, жидкий алюминий, по «рецепту» профессора М. Б. Альтмана, перегревают и затем вводят в него гидрид циркония или титана, который немедленно разлагается, выделяя водород. Тут же металл, вскипающий огромным количеством пузырьков, быстро разливают в формы. Но во всех других случаях от водорода стараются избавиться. Самый лучший способ для этого ― продувка расплава хлором.[6]
Заканчивая рассказ о применении алюминия как конструктивного материала, надо упомянуть и о его спечённых сплавах с кремнием, никелем, железом, хромом, цирконием (они называются САС ― по первым буквам слов «спеченный алюминиевый сплав»). У них низкий коэффициент линейного расширения, и это позволяет использовать их в сочетании со сталью в механизмах и приборах.[6]
Принципиально новые сплавы появляются тогда, когда открываются новые фазы-упрочнители. Во всем мире исследователи усиленно ищут новые фазы, способные вызвать значительное упрочнение сплавов, повышение их коррозионной стойкости или других важных характеристик. До настоящего времени их найдено не так много. Марганец и еще два элемента ― хром и цирконий ― вводятся в небольших количествах почти во все алюминиевые сплавы. Они очень сильно влияют на структуру и свойства металла.[6]
Можно разлагать азид цезия или восстанавливать цирконием его бихромат, но эти реакции взрывоопасны. Впрочем, при замене бихромата хроматом цезия процесс восстановления протекает спокойно, и, хотя выход не превышает 50%, отгоняется очень чистый металлический цезий. <...>
Весьма чувствительны к свету соединения цезия с оловянной кислотой (ортостаннаты) и с окисью циркония (метацирконаты). Изготовленные на их основе люминесцентные трубки при облучении ультрафиолетовыми лучами или электронами дают зелёную люминесценцию.[15]
...совсем недавно другие американские учёные обнаружили в тектитах включения двуокиси циркония ― бадделеита ― минерала, до сих пор встречавшегося только в искусственных стёклах…[16]
В средние века были хорошо известны ювелирные украшения из так называемых несовершенных алмазов. Несовершенство их заключалось в меньшей, чем у обычного алмаза, твёрдости и несколько худшей игре цветов после огранки. Было у них и другое название ― матарские (по месту добычи ― Матаре, району острова Цейлон). Средневековые ювелиры не знали, что используемый ими драгоценный минерал ― это монокристаллы циркона, основного минерала циркония. Циркон бывает самой различной окраски ― от бесцветного до кроваво-красного. Красный драгоценный циркон ювелиры называют гиацинтом.[7]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о цирконии и его соединениях», 1967
В 1789 году член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено новое вещество, которое Клапрот назвал «цирконэрде» (по-немецки ― цирконовая земля). Происхождение этого названия объясняют по-разному. Одни находят его истоки в арабском слове «заркун», что значит ― минерал, другие считают, что слово цирконий произошло от двух персидских слов «цар» ― золото и «гун» ― цвет, из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона ― гиацинта. <...>
Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д. И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO2.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
В земной коре цирконию всегда сопутствует гафний. В цирконовых рудах, например, его содержание обычно составляет от 0,5 до 2,0%. Химический аналог циркония (в менделеевской таблице гафний стоит непосредственно под цирконием) захватывает тепловые нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Вести цепную реакцию в аппарате, сделанном из гафния, равносильно попытке разжечь костёр водой. Этого, естественно, никто не делает, хотя гафний нашел применение в атомной технике ― для изготовления регулирующих стержней.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Лишь в двадцатых годах нашего столетия (через сто лет после того, как Берцелиус получил первые образцы циркония!) был разработан первый промышленный способ получения этого металла. Это ― метод «наращивания», разработанный голландскими учёными ван Аркелем и де Буром. Суть его заключается в том, что летучее соединение (в данном случае тетрайодид циркония ZrJ4) подвергается термическому распаду в вакууме, и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл. Этим способом был получен металлический цирконий, поддающийся обработке ― ковке, вальцовке, прокатке ― примерно так же легко, как медь. Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят, главным образом, от содержания в нем кислорода. Если в расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твёрдых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла. Метод наращивания получил сначала некоторое распространение, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Назрела необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким методом стал усовершенствованный метод У. Кроля. Метод Кроля позволяет получать цирконий при вдвое меньших затратах, чем при получении его по методу наращивания. Схема этого производства предусматривает две основные стадии ― двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт ― циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Но и незначительные примеси гафния сильно сказываются на ходе реакции. Например, полуторапроцентная примесь гафния в двадцать раз повышает сечение захвата циркония. Перед техникой встала проблема: полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники. Проблема разделения гафния и циркония оказалась очень сложной ― химические свойства их почти одинаковы из-за чрезвычайного сходства в строении атомов. В научной литературе описано немало способов (вернее, попыток) разделить эти элементы, но до сих пор эта проблема далека от окончательного разрешения.[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) в 300 раз дороже концентрата! Проблема экономичного разделения циркония и гафния ещё ждёт своего решения. И все-таки цирконий стал «атомным» металлом. На первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов, а не стационарные детали активной зоны реактора… Тем не менее, производство этого металла увеличивается из года в год, и темпы этого роста необыкновенно высоки. Достаточно сказать, что за десятилетие с 1949 по 1959 год мировое производство циркония выросло в 1000 раз[9]
— Татьяна Лобанова, «Цирконий», 1967
Внешне цирконий похож на сталь, но многими своими качествами превосходит её.
Удельный вес циркония — 6,25 г на куб. см, плавится он примерно при 1830 градусах, кипит — при 2900 градусах.
Чистый цирконий превосходит по прочности хорошую сталь. Вместе с тем он обладает значительной пластичностью, из него можно вытягивать проволоку.
Коррозионная устойчивость циркония выше, чем у титана, выше, чем у хромоникелевой нержавеющей стали. Он не боится ни разбавленной серной кислоты, ни азотной кислоты любой концентрации. Ему не страшны и водные растворы щелочей. Он растворяется только в концентрированной серной кислоте.[8]
— Михаил Васильев, «Металлы и человек», 1967
Очень полезны добавки циркония для меди. Они лишь в незначительной степени снижают ее электропроводность, в то время как повышают прочность ее — после соответствующей термообработки — в полтора раза.
В последние годы получили распространение легированные цирконием сплавы магния. И здесь цирконий повышает прочность сплава. Прочность сплава магния с 4–5 процентами цинка и 0,6–0,7 процента циркония вдвое выше, чем сплава магния с цинком, но без циркония.
Цирконий добавляют в свинцовистыебронзы и меднокадмиевые сплавы, в марганцовистуюлатунь и сплавы никеля.[8]
— Михаил Васильев, «Металлы и человек», 1967
В виде различных химических соединений цирконий довольно широко распространен в природе. Его содержание в земной коре довольно велико ― 0,025%, по распространённости он занимает двенадцатое место среди металлов. Несмотря на это, цирконий пользуется меньшей популярностью, чем многие из действительно редких металлов. Это произошло из-за крайней рассеянности циркония в земной коре и отсутствия крупных залежей его природных соединений. <...> Их известно более сорока. Цирконий присутствует в них в виде окислов или солей. Двуокись циркония ― бадделеит (ZrO2) и силикат циркония ― циркон (ZrSiO4) имеют наибольшее промышленное значение.[7]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о цирконии и его соединениях», 1967
Интересное применение нашло соединение циркония с хлором ZrCl4. Электропроводность пластинки из этого вещества зависит от давления, которое на нее действует. Это свойство и использовали в конструкции прибора для измерения давлений. Изменилось давление ― изменяется и ток в цепи прибора. Шкала прибора градуируется в единицах давления. Такие приборы очень чувствительны и позволяют измерять давление в широком интервале: от стотысячных долей атмосферы до тысяч атмосфер.[7]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о цирконии и его соединениях», 1967
Ниобий придает прочность и таким важным материалам, как титан, молибден, цирконий. Одновременно повышаются их жаростойкость и жаропрочность. <...>
Появлению легированного ниобия предшествовал довольно курьезный случай. Американская фирма «Вестингхауз» отпустила партию якобы сверхчистого ниобия. Каково же было удивление заказчика, когда образцы металла не удалось подвергнуть обычной технологической проверке! В частности, этот металл по непонятным причинам не плавился при температурах выше 2500°C! Лабораторный анализ показал, что ниобий не был чист, в нем содержалась небольшая примесь циркония. Так был открыт сверхжаростойкий сплав Cb-1Zr.[17]
— Леонид Элькинд, Татьяна Лобанова, «Ниобий», 1968
Топливные элементы на твёрдом электролите делают так. Сначала готовят сам электролит, который, как уже говорилось, представляет собой раствор вспомогательного окисла (чаще всего окиси иттрия) в двуокиси циркония; для этого окислы измельчают, смешивают, спекают при 1700°C, затем снова измельчают и из полученного порошка делают (как и обычные керамические изделия) миниатюрные трубочки (толщина стенок таких трубочек может быть очень небольшой ― до 0,5-0,2 миллиметра); затем на внутреннюю и внешнюю поверхности трубочки наносятся металлические электроды. Из таких элементов можно составить целую батарею.[18]
Элементы периодической системы с очень близкими химическими свойствами называют аналогами. Наиболее ярким примером химической аналогии элементов может служить сходство циркония и гафния. До сих пор не найдено реакции, в которую вступал бы один из них и не вступал другой. Это объясняется тем, что у гафния и циркония одинаково построены внешние электронные оболочки. И, кроме того, почти одинаковы размеры их атомов и ионов.[10]
Цирконий был открыт ещё в XVIII веке, а гафний настолько удачно маскировался под цирконий, что в течение полутора веков ученые, исследовавшие минералы циркония и продукты их переработки, даже не подозревали, что фактически имеют дело с двумя элементами. Правда в XIX веке было опубликовано несколько сообщений об открытии в минералах циркония неизвестных элементов: острания (А. Брейтхаупт, 1825), нория (Л. Ф. Сванберг, 1845), джаргония (Г. Сорби, 1869), нигрия (А. Г. Чарч, 1869), эвксения (К. А. Гофман и В. Прандтль, 1901). Однако ни по одной из этих «заявок» не выдали «авторских свидетельств»: контрольные опыты неизменно опровергали их.[10]
Гафний сопутствует цирконию не только в природных рудах и минералах, но и во всех искусственно полученных препаратах элемента №40, включая и металлический цирконий. Это было установлено вскоре после открытия элемента №72. Цирконий, отделенный от гафния, впервые в 1923 году получили Костер и Хевеши. А вместе с Янтсеном Хевеши получил первый образец металлического гафния 99%-ной чистоты. В последующие годы было найдено много способов разделения циркония и гафния, все они были сложны и трудоемки, но в то время проблема разделения циркония и гафния с практической точки зрения не представляла интереса. Она разрабатывалась преимущественно в научных целях, так как в любой из известных тогда областей применения циркония и его соединений постоянное присутствие примеси гафния совершенно не сказывалось.[10]
Наш век называют атомным. Не цирконий и не гафний тому причиной, но к атомным делам они оказались сопричастны. И если с точки зрения химии цирконий и гафний ― аналоги, то с позиций атомной техники они ― антиподы. <...> Для реакторов, в которых в качестве теплоносителя используется вода, цирконий вполне подходит. Но нужен цирконий без гафния. Вероятность поглощения нейтронов (в физике эта величина называется поперечным сечением захвата) измеряется в барнах. Для чистого циркония эта величина равна 0,18 барна, а для чистого гафния ― 105 барн. Примесь двух процентов гафния повышает сечение захвата циркония в 20 раз. Цирконий, предназначенный для реакторов, должен содержать не более 0,01% гафния.[10]
Минерал тортвейтит Sc2Si2O7 ― единственный собственный минерал редкого элемента скандия. Но тортвейтит интересен и другим: это единственный минерал, в котором гафния больше, чем циркония. Ионы этих металлов частично замещают скандий в кристаллической решетке тортвейтита. Совершенно необычное соотношение между гафнием и цирконием объясняется тем, что значения ионных радиусов Hf4+ и Sc3+ ближе, чем Zr4+ и Sc3+. Поэтому ион гафния «внедряется» в кристалл тортвейтита легче, чем ион циркония.[19]
— Борис Горзев, «Что вы знаете и чего не знаете о гафнии и его соединениях», 1968
Между прочим, многие сплавы олова ― <не сплавы в привычном понимании этого слова, а> истинные химические соединения элемента № 50 с другими металлами. Сплавляясь, олово взаимодействует с кальцием, магнием, цирконием, титаном, многими редкоземельными элементами. Образующиеся при этом соединения отличаются довольно большой тугоплавкостью. Так, станнид циркония Zr3Sn2 плавится лишь при 1985° C. И «виновата» здесь не только тугоплавкость циркония, но и характер сплава, химическая связь между образующими его веществами.[20]
Между прочим, многие сплавы олова ― истинные химические соединения элемента № 50 с другими металлами. Сплавляясь, олово взаимодействует с кальцием, магнием, цирконием, титаном, многими редкоземельными элементами. Образующиеся при этом соединения отличаются довольно большой тугоплавкостью. Так, станнид циркония Zr3Sn2 плавится лишь при 1985° C. И «виновата» здесь не только тугоплавкость циркония, но и характер сплава, химическая связь между образующими его веществами.[20]
Первый сверхпроводящий сплав, сохраняющий свои свойства при напряжённости поля в несколько десятков тысяч эрстед, ― сплав ниобия с оловом ― был открыт в шестидесятых годах. Новые сплавы ниобия с добавками циркония, титана, ванадия уже выдерживают 120-150 тысяч эрстед, а сплав ванадия с галлием ― даже 500 тысяч.[21]
— Юрий Апгалян, «Погоня за эрстедами», 1970
Самым первым потребителем металлического циркония была чёрная металлургия. Цирконий оказался хорошим раскислителем. По раскисляющему действию он превосходит даже марганец и титан. Одновременно цирконий уменьшает содержание в стали газов и серы, присутствие которых делает ее менее пластичной.[22]
— Популярная библиотека химических элементов. Том 1. Водород-Палладий, 1977
Незначительные добавки циркония повышают теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми.
Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% Zr в 5%-ной соляной кислоте при 100°C в 70 раз (!) больше, чем у технически чистого металла.
Иначе влияет цирконий на молибден. Добавка 5% циркония удваивает твёрдость этого тугоплавкого, но довольно мягкого металла.[22]
— Популярная библиотека химических элементов. Том 1. Водород-Палладий, 1977
Чистый цирконий — внешне похожий на сталь, но более прочный металл, обладающий высокой пластичностью. Одно из важных свойств циркония — его исключительная стойкость ко многим агрессивным средам. По антикоррозийным качествам цирконий превосходит такие стойкие металлы, как ниобий и титан. Нержавеющая сталь теряет в пятипроцентной соляной кислоте при 60°C примерно 2,6 миллиметра в год, титан — около 1 миллиметра, а цирконий — в тысячу раз меньше. Особенно велико сопротивление циркония действию щелочей; в этом отношении ему уступает даже тантал, который по праву снискал себе репутацию выдающегося борца с химической коррозией. Лишь цирконий может позволить себе длительное «купание» в щелочах, содержащих аммиак, — весьма агрессивных средах, противопоказанных всем без исключения другим металлам.[23]
— Сергей Венецкий, «В мире металлов» («Одежда» урановых стержней), 1982
Некоторые металлы, в том числе цирконий, в процессе гидрирования, т. е. насыщения водородом, меняют свою кристаллическую решетку и заметно увеличиваются в объёме — намного больше, чем при обычном нагреве. На этом свойстве «разбухания» основан изобретенный советскими специалистами оригинальный способ соединения металлических и других поверхностей в тех случаях, когда сварка или пайка помочь не в силах, например, когда нужно изготовить двухслойную трубу из различных материалов — легкоплавкого (алюминия, меди, пластмасс) и тугоплавкого (жаропрочной стали, вольфрама, керамики). В чем же суть нового способа? Если на цилиндр из склонного к «разбуханию» металла плотно насадить одну на другую две разнородные трубы, а затем подвергнуть металл гидрированию, то, «разбухая», он плотно припечатает эти трубы друг к другу. Так, например, втулки из нержавеющей стали и алюминиевого сплава, надетые на кольцо из циркония, после часового пребывания в атмосфере водорода при 400 °C «склеились» настолько прочно, что их невозможно было разъединить.[23]
— Сергей Венецкий, «В мире металлов» («Одежда» урановых стержней), 1982
Развитие реактивной авиации и ракетной техники потребовало более прочных, в том числе способных к работе при повышенных температурах. В результате были разработаны сплавы, содержащие цирконий, церий, неодим, торий, иттрий, литий и серебро. Применение сплавов с дорогими легирующими элементами в конструкциях такого массового изделия, как автомобиль, не могло быть оправдано с экономической точки зрения. Кроме того, эти сплавы не обладали достаточно хорошими физическими свойствами для литья под давлением. Главное требование здесь ― высокая жидкотекучесть расплава, а также устойчивость к образованию трещин при литье.[24]
Красные шламы составляют не менее половины объема поступающего на завод боксита. В то же время эти отходы представляют собой огромный источник многих ценных компонентов. Они содержат в своем составе железо ― до 40%, алюминий ― до 16%, кальций, кремний, титан, цирконий, ниобий, галлий и даже золото.[25]
— Лазарь Рохлин, «Техногенная реальность ― беда или надежда?», 2003
Электронная формула циркония
Самые обычные минералы, которые мы привыкли встречать повсюду, или вовсе отсутствуют на Хибинах, или же являются большой редкостью. Зато здесь часто приходится наталкиваться на целые россыпи редчайших соединений циркония, титана или редких земель. Об этом крайнем своеобразии минералогического состава массива узнаешь ещё издали, только приближаясь к горам. Пески, устилающие почти все пространство восточного берега озера Имандры и представляющие собою мелкие обломки снесенных с гор минералов, имеют непривычный голубовато-зелёный цвет, и напрасно мы стали бы искать в них обычные составные части наших песков.[2]
Явления каолинизации на Хибинах нет, поэтому-то сбегающие с гор ручьи и реки обладают кристально чистой водой, почти вовсе лишенной пеллитовых частиц. Эта поразительная чистота в связи с низкой температурой, не превышающей 4-5°С, создает тот совершенно непередаваемый чистейший голубой цвет, который можно наблюдать у бурных рек, мелких потоков, а лучше всего, пожалуй, в небольших озерах у подножия гигантских цирков. Та же причина позволяет наблюдать породы, слагающие массив и минералы богатейших пегматитовых жил с их редчайшими соединениями титана, циркония и редких земель в полной химической неприкосновенности и свежести.[2]
Но нас интересовал не сам Куйва, а рассеянные в тундре капли саамской крови, того замечательного красного камня Хибинских и Ловозерских тундр, имя которому эвдиалит. И нет ему равного во всем мире, как нет ничего дороже крови человеческой, пролитой за свободу и жизнь. *(Эвдиалит — красивый красный камень, нередко с фиолетовым или буроватым оттенком, является чрезвычайно ценной рудой, из которой выплавляется цирконий, применяется в металлургии).[3]
...неплохой подбор качеств для конструкционного материала. Меньший, чем у железа, вес, высокая прочность, отличная обрабатываемость, превосходная коррозионная устойчивость.
И к этому еще одно — удивительное и редкое: он почти не захватывает нейтронов.
Как говорят физики, он имеет малое эффективное поперечное сечение поглощения. Это очень подходящее свойство для материала многих деталей атомных реакторов и атомных электростанций.
Всё это делает цирконий важнейшим металлом новой техники. И производство его, хотя и не так стремительно, как производство титана, но неуклонно растёт.[8]
— Михаил Васильев, «Металлы и человек», 1967
Если теория верно нащупала квантовый принцип поэтажного заселения атома электронами ― 2, 8, 8, 18, 18, 32…, ― тогда физическое пророчество становилось делом арифметики. Элемент с 72 электронами обязан был походить на элемент с 40 электронами: 72 ― 32 ― 40. Это цирконий. Были там, конечно, разные тонкие тонкости, и Бор очень доказательно обосновал эту арифметику. Но в те майские дни 22-го года произошло нечто обескураживающее: «Доклады» Парижской академии опубликовали сообщение физика А. Довийе об открытии слабых рентгеновских линий 72-го элемента в спектре сложной смеси атомов из группы редких земель. И потому утверждалось, что 72-й элемент тоже принадлежит к этой группе. А тогда делалось невозможным его сходство с цирконием. Торжествовать мог не Бор, а известный французский химик Жорж Урбэн. У того была своя ― совсем не квантовая ― логика. Он питал особое пристрастье к редкоземельным элементам.[26]
Когда он <Нильс Бор> поднимался на кафедру, настроение его было приподнятым вдвойне: накануне он получил из Копенгагена важную и радостную телеграмму. Только Маргарет до конца понимала, как жаждал получить ее Нильс до-начала лекции. Телеграфные строки кратко сообщали, что исследование Хевеши и Костера доведено до абсолютно надежного финала: 72-й элемент, безусловно, аналог циркония и с редкими землями ничего общего не имеет! Кельтий Урбана будет принадлежать истории научных заблуждений, а вакантную клеточку в Периодической системе по праву займет гафний. Квантово-теоретическое предсказание оправдалось. Бор тотчас присоединил это сообщение к тексту лекции…[26]
...в 1789 году Клапрот открыл не только цирконий, но и еще один замечательный элемент, которому суждено было сыграть выдающуюся роль в науке и технике XX века. Этим элементом был уран. Ни сам Клапрот, ни кто-либо другой не могли тогда предвидеть, как сложатся судьбы «братьев» — циркония и урана. Пути их разошлись надолго: в течение полутора веков ничто не связывало эти элементы. И только в наши дни после долгой разлуки они встретились вновь. Сначала об этом знали лишь очень немногие ученые и инженеры, работавшие в области ядерной энергетики, куда, как известно, посторонним вход воспрещен. Встреча состоялась в атомных реакторах, где уран использовали как ядерное топливо, а цирконий должен был служить оболочкой для урановых стержней. Впрочем, точности ради, отметим, что ещё за несколько лет до этого американские ученые попробовали применять цирконий в качестве материала для ядерного реактора, который был установлен на первой атомной подводной лодке США «Наутилус». Однако вскоре выяснилось, что из циркония выгоднее делать не стационарные детали активной зоны реактора, а оболочки топливных элементов. Вот тогда-то уран и попал в объятия циркония.[23]
— Сергей Венецкий, «В мире металлов» («Одежда» урановых стержней), 1982
Сейчас крупные месторождения этого ценного элемента разрабатывают в США, Австралии, Бразилии, Индии, странах Западной Африки; значительными запасами циркониевого сырья располагает и Советский Союз. Отличной рудой циркония часто служат прибрежные пески. В Австралии, например, цирконовые россыпи простираются почти на 150 километров вдоль океанского побережья. А недавно в западной части этого материка, недалеко от города Микатарра, студенты-геологи, исследовавшие сухое русло протекавшей здесь когда-то реки, обнаружили в выветрившихся песчаных породах кристаллы циркона, которые оказались самыми древними на Земле. К этому выводу пришли геофизики Национального университета в Канберре, определившие, что возраст найденных цирконовых вкраплений исчисляется в 4,1-4,2 миллиарда лет: они на несколько сот миллионов лет старше любых других известных науке минеральных образований. Иными словами, найденный в Австралии циркон образовался спустя лишь каких-нибудь 300–400 миллионов лет после того, как сформировалась наша планета.[23]
— Сергей Венецкий, «В мире металлов» («Одежда» урановых стержней), 1982
Из смеси порошка металлического циркония с горючими соединениями изготовляют осветительные ракеты, дающие большое количество света. Циркониевая фольга при горении дает в полтора раза больше света, чем алюминиевая. «Вспышки» с циркониевым заполнением удобны тем, что занимают совсем мало места — они могут быть величиной с напёрсток. <...> Дождевые плащи обязаны своей влагонепроницаемостью солям циркония, которые входят в состав особой эмульсии для пропитки тканей. Соли циркония применяют также для изготовления цветных типографских красок, специальных лаков, пластических масс. В качестве катализатора соединения циркония используют при производстве высокооктанового моторного топлива. Сернокислые соединения этого элемента славятся отличными дубильными свойствами.[23]
— Сергей Венецкий, «В мире металлов» («Одежда» урановых стержней), 1982
...появились невиданные ранее изделия: браслеты, серьги нескольких конфигураций и кольца. Все женские украшения ― не из золота и серебра. Они ― из редкого металла циркония. Красивы, изящны, скромны. Очень прочны. <...>
Интерес оказался довольно высок: необычный цвет, неординарное исполнение. Полная инертность к атмосферным воздействиям. 600 тысяч ложек из этого металла покупатели получат в будущем году. Изготовить их взялись красносельские мастера-ювелиры.
― А дальше, ― говорит Валерий Алексеевич, ― не исключена возможность создания совместных предприятий с зарубежными фирмами. Ведь добрые тайны циркония ещё раскрыты не полностью.[27]
— Альфред Артамонов, «Дневник репортера», 2006
Потом появились медные браслеты на запястьях, лучшими считались изготовленные из чистой чилийской меди. В СССР даже советское высшее руководство прибегало к подобным методам лечения. Кремлёвские врачи смотрели сквозь пальцы ― пусть пробуют. Но мода эта постепенно исчезла ― за отсутствием лечебного эффекта. На смену ей пришла другая ― браслеты из циркония. Это вам не медь, за цирконий нужно платить значительно дороже! Согласно навязчивой телевизионной рекламе, эти браслеты помогали от всех болезней! Время, несомненно, излечило «верующих» и от циркония.[28]
Первое чудовище тоже свернулось и последовало за вторым. Теперь в баке находились две страшные медузы. Оставалось лишь удивляться, как они могли до такой степени уменьшить свой видимый объем. Нажим кнопки ― крышка захлопнулась, и тотчас пять или шесть чёрных чудовищ облепили со всех сторон огромную, облицованную цирконием посуду. Биолог дал свет, сообщил на «Тантру» просьбу включить защиту.[4]
Экран погас, и странен показался вид замкнутого зала, приспособленного для размышлений и совещаний жителей Земли.
― Эта зелёная звезда, ― снова зазвучала речь председателя, ― с обилием циркония в спектральных линиях, размером немного более нашего Солнца. ― Гром Орм быстро перечислил координаты циркониевого светила. ― В её системе, ― продолжал он, ― есть две планеты-близнецы, вращающиеся друг против друга на таком расстоянии от звезды, которое соответствует энергии, получаемой Землей от Солнца. Толщина атмосферы, ее состав, количество воды совпадают с условиями Земли.[4]
В песке из прибрежной полосы океанов само море накопило ценнейшие редкие элементы, за которыми так усиленно охотятся геологи. Веками вода разрушает берега морей и океанов и уносит частицы лёгких пород. Те, что потяжелее, остаются у побережья. Вот тут-то и накапливается драгоценный песок. В нем цирконий, гафний, ниобий и другие представители семейства редких элементов, которые ценятся техникой не дешевле золота. И добыча их уже идет. Больше половины всего циркония добывают зарубежные страны у берегов Австралии. На берегах различных морей и крупных озер скопились огромные залежи черных песков.[5]
Вспышка термита отбросила ее чуть вбок ― и в последний миг догорающий столбик прессованной магниевой стружки пережег нить, удерживающую спусковой крючок гранатомёта. Выстрел и взрыв гранаты произошли почти одновременно, и сорок граммов обращенного в плазму циркония иглой прошли сквозь стеклопластик направляющей, сквозь титан и керамику ракетной ступени, сквозь толщу горючего (испаряя и поджигая его) ― вплоть до центрального канала двигателя, наполненного воспламеняющим составом. Это было равносильно срабатыванию стартовых патронов ― если не считать того, что площадь горения была больше штатной (из-за пробитого кумулятивной струей канала), а отток газов через дюзы затруднен. Ракета выдвинулась на полтора метра, сбросив с боеголовки горящий термит и расшвыряв гранаты, которые взорвались, но уже на некотором удалении от обтекателя ― что хотя и привело к разгерметизации боеголовки, но плутоний, заключенный в вольфрамовую капсулу, так и не обрел контакта с внешней средой…[12]
↑ Ю. Апгалян. Погоня за эрстедами. — М.: «Химия и жизнь», № 9, 1970 год
1 2 Станцо В. В., Черненко М. Б. (под ред. И. В. Петрянова-Соколова). Популярная библиотека химических элементов. В двух книгах. Книга 1. Водород-Палладий. — М.: Наука, 1977 г. — 576 с.
.jpg)
