Вісмут - "Відрядження" в космос

С.І. Венецкий

В один з літніх днів 1976 року, коли навколо Земліоберталася орбітальна наукова станція "Салют-5", члени її екіпажукосмонавти Б. Волинов і В. Жолобов повідомили в Центр управління польотом, щозгідно з програмою вони провели черговий технологічний експеримент підназвою "Сфера".

Ким тільки не доводиться бути космонавтам під часпольоту! Вони і геологи, і біологи, і медики, і фізики, і хіміки - та хібаперерахуєш всі їхні небесні професії. На цей раз - для проведенняексперименту "Сфера" - космонавти перетворилися в металургів, а їхметалургійним "цехом" став компактний прилад, за допомогою якогоналежало досліджувати процес затвердіння рідкого металу в умовахневагомості. Точніше, скориставшись відсутністю земних сил тяжкості,космонавти повинні були отримати на цьому приладі ідеальні за формоюметалеві кульки.

Що ж являє собою прилад і якого металусудилося одним з перших увійти до літопису космічної металургії? Приладскладається з спеціального "магазину" з металевими заготовками,електронагрівача і прозорого лавсанового мішечка. Металом ж, на якийприпав вибір вчених, які планували цей експеримент, виявився відомий вже більшеста років так званий сплав Вуда, що складається з вісмуту, свинцю, олова та кадмію(У співвідношенні приблизно 4:2:1:1). Основна робоча характеристика сплаву -низька температура плавлення (близько 70 В° С). Саме за ці заслуги сплаву Вуда ібула видана "путівка" у космічні дали: чим легше плавиться метал,тим конструктивно простіше і, отже, компактніші може бути прилад, а цеобставина в космонавтиці має першорядне значення.

Отже, в точно відведений для експерименту часкосмонавти включили прилад і крихітна заготовка, схожа на шматочоколівцевого грифеля, надійшла з "магазина" в трубку нагрівача.Тут заготівля швидко перетворилася на краплю і спеціальний пристрій виштовхнулоїї в лавсановий мішечок. Якби справа відбувалася на Землі, крапелька негайно жвпала б на дно, і на цьому досвід закінчився б, так і не відбувшись. У космосіж кульку з розплавленого металу, попрощавшись з нагрівачем, починає паритив невагомості. Швидкість виштовхування краплі і розміри мішечка обрані з такимрозрахунком, щоб до моменту зіткнення з його стінками метал уже встигзатвердіти. Крапля, ще крапля, ще - і ось вже отримано багато крихітних матовихбусинок.

"Кульки начебто нічого, симпатичні, -коментував по ходу справи бортінженер В. Жолобов. - Приємно дивитися, якрозплавлені крапельки парять в невагомості, застигають, ні з чим нестикаючись ".

Але ось експеримент "Сфера" закінчений. Якуж практичну користь він принесе? Чи варто в космосі "городгородити "тільки заради того, щоб зібрати врожай металевих горошинок,нехай навіть ідеальної сферичної форми? Та й чи буде їхня форма ідеальною?

лавсанових мішок космонавти доставили на землю, івчені багатьох лабораторій піддали його вміст всебічному дослідженню.Виявилося, що, застигаючи, металеві краплі набували еліпсоїдні вигляд іперетворювалися на крихітні "груші", "цибулини", але аж ніяк нев бажані кульки. До того ж сплав Вуда з якихось причин втрачав уневагомості свою однорідність. І хоча, як кажуть, перший млинець - комом,подібні експерименти, очевидно, будуть продовжені.

Якщо вони виявляться успішними, перед технологамивідкриються привабливі перспективи: адже в земних умовах, щоб зметалевої заготовки отримати кульку для підшипників, потрібно виконати одинадцятьрізних операцій, втративши при цьому чимало металу у відходи. Та до того ж іструктура поверхневого шару кульок часом залишає бажати кращого. Осьчому можна припустити, що витрати на подорож сплаву Вуда у космос ізлишком окупляться, коли на навколоземній орбіті почне діяти першийкосмічний підшипниковий завод. І цей час уже не за горами ...

А поки спустимося з небес на Землю і познайомимося зголовним компонентом сплаву Вуда вісмутом - сріблясто-білим металом з легкимрожевим відтінком. Перші згадки про нього в хімічній літературі відносяться доXV століттю. Правда, тоді багато хіміки плутали вісмут зі свинцем, оловом ісурмою. Так, в одному з алхімічних словників вісмут описується як"Всякий найлегший, блідий і дешевий свинець".

Зате відомий металург і мінералог середньовіччяГеорг Агрікола у своїй книзі "Про родовищах і рудниках в старе і новечас ", написаної в 1546 році, звів вісмут в ранг одного з основнихметалів, додавши його до відомої з давнини "чудовоїсімці "- золоту, сріблу, міді, заліза, свинцю, олова та ртуті. Однакостаточно "права громадянства" вісмут знайшов лише в XVIII столітті.Цьому металу, мабуть, як жодному іншому хімічному елементу, пощастило з назвами:за підрахунками деяких вчених, в літературі XV-XVIII століть можна зустрітибільше 20 "псевдонімів" вісмуту і серед них такі виразні, якдемогоргон, глаура, німфа.

Про походження слова "вісмут" існуєбезліч версій. Одні вчені вважають, що в основі його лежать німецькі корені"Wis" і "mat" (перекручено weisse masse і weisse materia) -білий метал (точніше, біла маса, біла матерія). На думку інших, назвавідбулося від німецьких слів "wiese" (луг) і "muten" (розроблятирудник), оскільки цей метал ще в давні часи добували в луках Саксонії,поблизу Мейсена. Треті стверджують, що вісмутових рудами був багатий округ Візен вНімеччині - йому, мовляв, і зобов'язаний метал назвою. З точки зору четверте, слово"Вісмут" - не що інше, як арабське "бі ісмід", тобтосхожий на сурму.

Важко сказати, яка з версій найбільш правильна.Навіть Велика Радянська Енциклопедія не береться вирішити цей спір і лишелаконічно зауважує: "Походження назв." В "невстановлено ". Символ Bi вперше ввів в хімічну номенклатуру видатнийшведський хімік Й.-Я. Берцеліус.

Ще в старовину з'єднання вісмуту широко застосовувалисяяк фарби, грим, косметичні засоби. Так, на Русі, наприклад,представниці слабкої статі охоче користувалися різними білилами, у томучислі і вісмутових, які іноді називалися також іспанськими. Одинанглієць, який відвідав російське держава в середині XVI століття, зазначав, щожінки "так намазують свої обличчя, що майже на відстані пострілу можнабачити наліплені на обличчях фарби; всього краще їх порівняти з дружинами малюнків,тому що вони виглядають так, як ніби близько їх осіб вибивали мішкиборошна ".

Інша давня "професія" вісмуту, точнішейого сполук, - медицина. На цій благородній ниві він продовжує трудитисяі в наші дні: багато ліків, присипки і мазі, що застосовуються якантисептичні та загоюють засоби при лікуванні шкірних і шлунково-кишковихзахворювань, опіків, ран, містять в тому чи іншому вигляді вісмут. Не випадковофармацевтична промисловість - один з основних споживачів цього металу.

У техніці ж вісмут здавна відомий своїмилегкоплавкими сплавами. Ось що написано в одній з книг, виданих понад стороків тому: "У сплавах вісмут вживається тільки тому, що віннадає їм легкоплавкость. Тому цим металом користуються оловянщікі іорганщікі, коли їм треба мати особливо легкоплавкий препарат. Оловолітчікітакож додають трохи вісмуту для полегшення розплавлення металу, ніж,звичайно, не покращують свого товару, тому що вісмут робить все сплавиламкими ".

Сегодня "словолітчікі", правда, вже незастосовують вісмут як компонент типографського сплаву, але в іншихобластях різні сплави вісмуту (і серед них вже знайомий вам сплав Вуда)знаходять чимало роботи. Пожежники, наприклад, можуть спати спокійно, якщовогненебезпечні об'єкти обладнані автоматичними вогнегасниками з плавкимизапобіжниками із сплаву вісмуту з іншими металами. Варто температурі вприміщенні перевищити певний рівень, зволікання з цього сплавурозплавляється, спрацьовує реле і різкий дзвінок попереджає про небезпекунебезпеки. Є й такі пристрої, які не лише сигналізують про пожежу,але й самі, не чекаючи допомоги з боку, виливають на полум'я потоки води, априбулим пожежникам залишається лише констатувати, що вогонь ліквідовано, ізнову привести пристрій у стан "бойової готовності".

Сплав вісмуту зі свинцем і ртуттю плавиться... вже притерті і тому використовується для виготовлення металевих олівців.Легкоплавкі сплави на висмутовой основі дозволяють надійно спаяти скло зметалом. З сплаву Вуда можна відлити чайну ложечку, яка ... розплавитьсяпри першому ж перемішуванні нею гарячого чаю. Зрозуміло, в посуд-господарськомумагазині таку ложку не зустрінеш, зате на уроці фізики "чаювання" зїї допомогою дає можливість наочно продемонструвати легкоплавкость сплавуВуда.

Цей сплав має і високими ливарними властивостями,завдяки чому легко заповнює найдрібніші деталі форми. З нього роблять моделідля відливання складних деталей, він застосовується для заливки металографічнихшлифов, "бере участь" в зуболікарському протезуванні.

Для деяких сплавів вісмуту характерні унікальнімагнітні властивості. Так, з його сплаву з марганцем виготовляють сильніпостійні магніти. Сплав вісмуту з сурмою, що виявляє в магнітному поліаномальний ефект магнітоопору, використовується для виробництвашвидкодіючих підсилювачів і вимикачів. Добавка вісмуту (усього 0,01%) досплавів на основі алюмінію і заліза покращує пластичні властивості матеріалу,спрощує його обробку. Таку ж послугу робить вісмут і нержавіючої сталі.

А олову він допомагає вилікуватися від хронічногозахворювання, званого "олов'яної чумою": при низьких температурахцей метал розсипається в порошок. Причина цього - перехід одного різновидуолова в іншу, з більш вільним розташуванням атомів в кристалічнійрешітці (так зване біле олово перетворюється в сіре). Атоми ж вісмуту,додані до олову, як би цементують його грати, не даючи їй зруйнуватисяпри перебудові, викликаної таким перетворенням. Дуже перспективні з'єднаннявісмуту з телуром як матеріал для термоелектрогенераторов.Сприятливе поєднання теплопровідності, електропровідності ітермоелектрорушійної сили обумовлює високий коефіцієнт корисної діїперетворення теплової енергії в електричну. До речі, перша батареятермоелементів, створена приблизно півтора сторіччя тому, була виконана зспаяних зволікань сурми і вісмуту.

У космонавтиці, медицині та багатьох інших областяхвикористовується сьогодні термоелектричне охолоджування. Ще в 1834 році французькийфізик Жан Пельтьє зауважив, що якщо через електричний ланцюг, що складається зпровідників різного типу, скажімо заліза й вісмуту, пропустити постійний струм,то в місці їх з'єднання поглинається деяку кількість теплоти. Це явище,назване ефектом Пельтьє, довгий час не знаходило практичного застосування,так як виникає в місці з'єднання металів охолодження було дуженезначним.

Але ось через понад сто років радянський академік А. Ф.Іоффе запропонував замінити метали в термоелектричних пристрояхнапівпровідниковими матеріалами, зокрема сполуками вісмуту, телуру,селену і сурми. Ось тоді-то ефект Пельтьє став справді ефективнимзасобом охолодження. Виявилося можливим створення на його основі холодильниканового типу, в якому переносником тепла служать не рідини або гази, як узвичайному холодильнику, а електрони. Крихітні електронні холодильники,завбільшки з наперсток, плавно знижують температуру до -50 В° С. Важливоюособливістю таких холодильників є те, що їх легко можна перетворитив ... нагрівачі: для цього потрібно лише змінити напрямок струму.

Сполуки вісмуту можна зустріти в багатьох сферахсучасної техніки. Триоксид цього металу служить каталізатором при отриманніакрилових полімерів. У якості флюсу, що знижує температуру плавленнядеяких неорганічних речовин, її використовують також у виробництві скла,емалі, порцеляни. Вісмутові з'єднання вводять до складу стекол, якщо потрібнопідвищити їх коефіцієнт заломлення. Солі вісмуту застосовуються при виготовленніфарб для дорожніх знаків, "спалахують", коли на них падає проміньавтомобільної фари. Відомі з давніх пір косметичні схильності вісмутупроявляються сьогодні у створенні за допомогою його солей перламутровою губної помади.

В останні роки увагу багатьох вчених прикута доявищу надпровідності. Відкрите ще в 1911 році голландським фізиком X.Камерлінг-Оннес, це властивість деяких металів і з'єднань - поблизу абсолютноготемпературного нуля практично безперешкодно пропускати електричний струм -довгий час було лише суто науковий інтерес. Бурхливий розвиток науки ітехніки у другій половині XX століття зв'язало з надпровідністю грандіозніпрактичні перспективи, насамперед в області енергетики. Але щобперспективи стали реальністю, потрібно відсунути якомога далі від абсолютногонуля поріг надпровідності, тобто ту критичну температуру, при якійречовина стрибкоподібно втрачає здатність чинити опір електричному струму.Пошуки вчених спрямовані на створення так званих високотемпературнихнадпровідників - матеріалів, здатних знаходити цю властивість при порівнянолегко досяжних температурах. На думку ряду фахівців, такими матеріаламиможуть стати полімери, "начинені" дрібними частками металів.

Не так давно радянські хіміки зробили перший крок нашляхи вирішення цієї проблеми. Піддаючи електролізу водний розчин солей свинцю івісмуту в присутності толуольного розчину полідіфенілбутадіена, вони зумілиотримати металлополімеров, що містить близько 80% дисперсних (діаметром кількамікрон) частинок свінцововісмутового сплаву. Оскільки метал впроваджувався вполімер у момент утворення із солі, не встигаючи окислитися, поверхня частинокбула майже ідеально чистою. Як показали випробування нового матеріалу,температура переходу його в надпровідний стан, хоч і далека відбажаної, але помітно вище, ніж у чистого сплаву того ж складу. Значить, можнасподіватися, що наступні кроки в цьому напрямку дозволять досягти наміченоїмети.

Цікаві результати отримали й американські вченіз Мічиганського університету. Вони виявили, що вісмут,"Забруднений" невеликою кількістю атомів олова або телуру, притемпературах 0,03-0,06 До знаходить надпровідність, у той час як чистийметал цією властивістю обділений. Змінюючи концентрацію домішки, можна кільказміщати поріг провідності вісмуту в ту або іншу сторону.

До цих пір мова йшла про сплави і хімічні сполукивісмуту. Але свою, мабуть, саму важливу і відповідальну роль - теплоносія вядерних реакторах - він воліє виконувати в гордій самоті. На цю рольметал запрошений не випадково: плавиться він при порівняно низькій температурі(271 В° С), а кипить при досить високій (1560 В° С). Широкий інтервал температур,при яких вісмут перебуває в рідкому стані, у поєднанні з хімічноюстійкістю, пожежною безпекою і, що найголовніше, здатністюрозсіювати теплові нейтрони, майже не поглинаючи їх при цьому (тобто не гальмуючиланцюгову реакцію), висувають вісмут до числа кращих ядерних теплоносіїв.Перспективно і використання його в реакторах з жідкометалліческім паливом -ураном, розчиненим у розплавленому вісмуті.

У вісмуту є ще цілий ряд цікавих властивостей. Ввідміну від більшості металів, він дуже крихкий і легко розтирається в порошок,але гарячим пресуванням з нього можна виготовити тонкий дріт і пластинки.Майже всі метали при затвердінні зменшуються в об'ємі, а вісмут, завдякисвоєрідності кристалічної структури, навпаки, розширюється (те ж відбуваєтьсяі з водою при її перетворенні на лід). Мабуть, цим обумовлена вЂ‹вЂ‹й іншаособливість поведінки вісмуту. З ростом тиску температура плавлення речовинзазвичай підвищується. Цьому правилу підпорядковуються всі метали, а для вісмуту,виявляється, закон не писаний: чим вище тиск, тим легше він"Погоджується" перейти в рідкий стан.

Вісмут - самий діамагнітний метал: якщо його поміститиміж полюсами звичайного магніту, то він, прагнучи з однаковою силоювідштовхнутися від обох полюсів, займе положення на рівній від них відстані.Під впливом магнітного поля електричний опір вісмуту збільшуєтьсяв більшій мірі, ніж у інших металів; цією його властивістю користуються длявимірювання індукції сильних магнітних полів (прилад, службовець для цієї мети,називається висмутовой спіраллю). Після розплавлення вісмуту йогоелектроопір падає вдвічі, а при охолодженні різко зростає (наприклад,при пониженні температури від нуля до -1...80 В° С опір цього металузбільшується в 60 разів).

У відношенні хімічних властивостей вісмут поводиться кудискромніше, намагаючись бути схожим на своїх найближчих сусідів по п'ятій групі (точніше,її правої підгрупі) періодичної системи - сурму і миш'як. Хіба щометалеві властивості у нього виражені посильніше, але до цього його простозобов'язує положення в таблиці елементів: він ближче до "полюсуметалличности "(лівий нижній кут таблиці), ніж інші елементи йогопідгрупи.Фарадея.металів.

ІншаАлельоду. Вкристалічну структуру.А щоВ