Стране нужен металл

Как таблица Менделеева пополнилась шестью новыми элементами

Фото: Денис Кожевников / ТАСС

Недавно в таблицу Менделеева добавили сразу четыре новых элемента: три из них были открыты российскими учеными. Прежде подобные открытия происходили чаще и процесс этот был куда хаотичнее. «Лента.ру» решила рассказать историю шести металлов, которые добывают в России, чтобы доказать это утверждение.

Медный демон

Металл никель был открыт шведским химиком и минералогом Акселем Кронштедтом в 1751 году. Уже в XX веке ученые выяснили, что примеси никеля содержатся в бронзовых предметах, датированных 3,5 тысячи лет до н.э. В них было до двух процентов никеля. В Китае купферникель, то есть соединение меди, никеля и железа, применялся за 1,7 тысячи лет до н.э.

Своему названию металл обязан сленговому выражению немецких шахтеров. Иногда вместо меди им попадалась внешне похожая руда, из которой не получалось извлечь желаемое. Тогда горняки говорили, что шалит «Старый Ник», а слово Nickolaus означало двуличного человека или бездельника.

Кронштедт не дожил до признания своего открытия — он умер в 1765 году. Только в 1804 году немецкий химик Иеремия Рихтер получил чистейший никель. Это был серебристый металл, который обладал полезнейшими свойствами — он мог противостоять агрессивным средам. Для того чтобы полностью воспользоваться достоинствами никеля, потребовалось еще много времени. Металл был очень хрупким и плохо поддавался ковке. Причина заключалась в примесях серы.

Первым крупным производителем никеля еще в XIX веке стала Норвегия. Затем его месторождения были открыты в Канаде, России и Южной Африке. Полезные свойства никеля в полной мере раскрылись в конце XIX века. Тогда его начали использовать в сплавах с железом. Выяснилось, что это значительно повышало коррозийную устойчивость. Обычные люди познакомились с никелем, когда из него стали делать монеты. Первопроходцем в этом стали Соединенные Штаты. С середины XIX века они применяли никель для чеканки. Монета в пять центов в США до сих пор известна как nickel.

Настоящий успех к никелю пришел в эпоху научно-технической революции. Без никеля было бы невозможно создание лопастей турбин реактивных двигателей. Сплав стали и никеля способен выдержать температуру в 700-1000 градусов. В качестве альтернативы при их производстве может применяться титан, но он слишком дорог. В электротехнике никель используется в аккумуляторах.

Сейчас крупнейшим производителем никеля в мире является «Норильский никель». На него приходится 13 процентов мирового производства. В 2015 году компания произвела 266 тысяч тонн этого металла.

Водка помогла

Крупнейшее в мире месторождение палладия находится в Норильске. Палладий представляет собой пластичный переходный металл серебристо-белого цвета и относится в платиновой группе. С открытием этого элемента связана интересная история.

Еще в конце XVII века бразильские горняки обнаружили «сплав платины и золота». В 1803 году английский химик Уильям Волластон добрался до платиновой руды из Латинской Америки и даже выделил новый металл. Тогда исследователь экспериментировал с царской водкой, в которой и попытался растворить руду. В результате изысканий был получен новый элемент, который химик назвал в честь астероида Паллада, открытого годом ранее.

При этом Волластон не торопился рассказывать о своем открытии. Вместо этого он распространил в Лондоне анонимную рекламу, в которой рассказал о том, что в магазине его товарища — торговца минералами Форстера — продается «новое серебро». Волею случая приобрести необычный товар решил ирландский химик Ричард Ченевикс. Проведя опыты, он решил, что металл является не чем иным, как сплавом ртути с платиной, который открыл российский химик Аполлос Мусин-Пушкин. Это породило дискуссию в научном сообществе, в результате которой Волластон спешно заявил об открытии палладия и описал его свойства

В природе этот драгоценный металл существует в основном в виде соединений и входит в состав около 30 минералов, в чистом виде он встречается крайне редко. Чаще его извлекают как побочный элемент при добыче меди и никеля. Кроме того, найти палладий можно и в космосе и на других небесных телах: в железных метеоритах на тонну вещества приходится до 7,7 грамма палладия, а в каменных — до 3,5 грамма. Кроме того, этот металл есть на Солнце.

Палладий выглядит совсем как платина или белое золото, однако весит значительно меньше. Физические и химические свойства металла способствовали широкому применению палладия в промышленности и электронике, в особенности он славился в сфере приборостроения во времена СССР: многие радиоэлектронные компоненты советских приборов изготавливались с помощью палладия. Также он с успехом используется в качестве ювелирного сырья: палладию можно легко придать любую форму и его сложно поцарапать. Тем не менее небольшие ювелирные мастерские не могут заниматься переплавкой этого металла, так как для этого требуется особая дорогостоящая печь.

Химик Уильям Волластон не остановился на палладии и открыл еще один металл — родий. Это произошло в 1804 году, когда ученый растворял сырую платину в царской водке. В результате он получил порошок, при прокаливании которого в токе водорода и получился новый металл. Слово «родий» является производным от греческих слов «роза» и «розовый» и было выбрано вследствие цвета раствора солей металла в воде.

Родий является очень редким и рассеянным элементом, не имеющим собственного минерала. Каждый год во всем мире добывается менее 30 тонн этого металла, основные месторождения находятся на территории ЮАР и России. По стойкости к коррозии родий превосходит платину, также он обладает высоким коэффициентом отражения электромагнитных лучей.
Окисления этого металла можно добиться лишь при температуре свыше 600 градусов Цельсия. Родий используется в качестве катализатора для различных химических производств, широко применяется в производстве поверхностных зеркал и стекол для жидкокристаллических экранов, в ювелирном деле с помощью родия делают более крепкими и долговечными изделия из платины и палладия.

Все цвета радуги

Еще один металл — иридий — был открыт английским химиком Смитсоном Теннантом в 1804 году. Как и его коллега Волластон, ученый работал с самородками платины и царской водкой. После растворения в ней платины он обнаружил черный порошок, изучив который открыл два новых элемента. Соли одного из них буквально играли всеми цветами радуги, поэтому новый металл и был назван «иридием» от греческого слова «радужный».

Теннант весной 1804 года представил доклад Британскому королевскому обществу, в котором сообщил, что в черном порошке содержатся два новых химических элемента. Этими элементами оказались иридий и осмий. Черный порошок, вероятно, представлял из себя сплав осмия с иридием. Осмий хорошо растворяется в царской водке, а иридий в ней не растворяется. Эти свойства способствовали быстрому их разделению.

Иридий относится к наиболее редким элементам, встречающимся на Земле, его количество в земной коре значительно меньше по сравнению с количеством золота или платины, при этом он довольно часто встречается в метеоритах. Из-за своей стойкости иридий плохо поддается обработке, однако он с успехом используется в производстве топливных баков для космических кораблей, а его ядерный изомер 192m2, имеющий период полураспада 241 год, представляет большой интерес в качестве источника электроэнергии. Иридий применяется в производстве наиболее долговечных свечей зажигания автомобиля, его свойства используются для придания жароустойчивости покрытиям, иридий также применяется в производстве электрических стимуляторов сердечной деятельности.

Русский металл

В 1844 году русский химик, профессор Казанского университета Карл Клаус открыл еще один новый элемент — рутений. Получив из Петербургского монетного двора около 15 фунтов платиновых руд, он сплавил их остатки с селитрой и извлек растворимую в воде часть, содержащую осмий, хром и другие металлы. Нерастворимый в воде остаток он поместил в царскую водку и перегнал досуха. Обработав получившееся соединение кипящей водой и добавив избыток поташа, Клаус отделил осадок гидроокиси железа, в котором обнаружил присутствие неизвестного элемента. Его химик предложил назвать рутением в честь России (от латинского Ruthenia — Россия). Это название впервые было использовано еще в 1828 году немецким химиком Готтфридом Вильгельмом Озанном. Тогда при анализе нижнетагильской платиновой руды он заявил, что обнаружил сразу три новых металла: рутений, плуран (сокращение от «платина Урала») и полин (от греческого «седой»). Позднее шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус опроверг открытия Озанна. Однако Карл Клаус полагал, что окись рутения впервые обнаружил именно его немецкий коллега.

Сегодня рутений является побочным продуктом при очищении платины и других благородных металлов. Он также применяется при производстве износостойких и жаропрочных материалов и конструкций, что особенно ценно в космической промышленности. Кроме того, рутений является единственным металлом платиновой группы, который обнаруживается в живых организмах (преимущественно в мышечной ткани). Ежегодно в мире добывают около 17 тонн рутения, а общие запасы этого металла оцениваются примерно в пять тысяч тонн.

Прямиком из Древнего Египта

В 1735 году шведскому химику Георгу Бранду удалось выделить из минералов новый металл серебристо-белого, иногда слегка желтоватого оттенка. Ученый назвал его кобальтом, поскольку древние саксонцы объясняли смерти плавильщиков серебра проделками злого гнома Кобольда. В реальности они умирали от ядовитых выделений оксида мышьяка из кобальтовых минералов.

Некоторые свойства этого металла были известны людям с незапамятных времен. Так, изготовленный древними египтянами в ХV веке до нашей эры стеклянный кувшин был окрашен солями кобальта, его же обнаружили в составе голубых стекловидных кирпичей в гробницах фараонов. В древней Ассирии и Вавилоне из кобальта изготовляли лазурит — голубую краску, которой затем обливали керамические изделия. Исходным материалом для получения кобальтовых соединений тогда служил содержащий металл сапфир цаффер. Вероятно, оттуда и произошли названия красок сафлор и шафран.

В средние века горняки часто натыкались на кобальтовую «землю». Иногда она была похожа на серебряную руду, но не содержала драгоценного металла. Примесь кобальтовой земли к другим рудам часто мешала выплавке, ведь из-за образующегося в процессе густого дыма из сульфидов и арсенидов часть выплавляемого металла терялась.

Об этом еще в IV веке нашей эры писал Псевдо-Демокрит, а позже немецкие горняки стали называть пары от кобальтовых земель коб-ольд или кобельт — как звали плутоватого подземного гнома, насмехавшегося над шахтерами. В древнерусском языке также имеются близкие по смыслу слова кобение (гадание) и кобь — гадание по птичьему полету.

Кобальт также упоминается у Бирингуччо, Василия Валентина, Парацельса и других авторов XV-XVII веков. В «Алхимическом лексиконе» Руланда (1612 год) о кобальте говорится: «Кобол кобальт или коллет — металлическая материя, чернее свинца и железа, растягивающаяся при нагревании. Кобальт — черная, немного похожая по цвету на золу материя, которую можно ковать и лить. Но она не обладает металлическим блеском и представляет собой вредную взвесь, уводящую (при плавке) вместе с дымом хорошую руду».

Металлический кобальт впервые был описан в 1735 году упсальским профессором Брандтом. В диссертации «О полуметаллах» он рассказывает, что получаемый из руд металлический висмут не представляет собой чистого металла, а содержит «кобальтовый королек», то есть металлический кобальт. Он же выяснил, что соли кобальта окрашивают стекла в синий цвет. В чистом виде металлический кобальт был впервые получен Верцелиусом.