РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

Технеций. Изотопы и изобары технеция. Правило Маттауха- Щукарева. Соли технециевой кислоты

 ВОЗРОЖДЕННЫЙ «ДИНОЗАВР» (ТЕХНЕЦИЙ)

Вернется ли вчерашний день? — Долг платежом красен. — Подмоченная репутация. — Фортуна поворачивается спиной. — Зачем ломать копья? «Категорически запрещается!» — Нахальные соседи. — Не спеши… — Пропавший без вести. — Новинки артиллерии. — Визит за океан. — Лучше меньше, чем ничего. Не мудрствуя лукаво. — «Чудо-осколки». — Нельзя ли подешевле? — Блюдо не по вкусу. — Неприступная крепость. — Вблизи нуля. — В созвездии Андромеды. Отпавшие версии. — Динозавры выходят на прогулку.

Вообразите, что однажды утром, раскрыв газету, вы увидели в ней сенсационное сообщение: Вчера в N-ском зоопарке успешно завершились многолетние эксперименты по скрещиванию крокодилов и кенгуру в целях воссоздания на Земле динозавров животных, обитавших в мезозойскую эру и вымерших много миллионов лет назад.

Разумеется, такая «информация» могла появиться в газете только 1 апреля. Мыслимо ли, чтобы колесо истории вдруг прокрутилось на много-много оборотов назад и вернуло бы нам вчерашний день? Недаром говорят, что было, того уж не вернешь.

И все же, хотя науке сегодня действительно не под силу возрождать динозавров и птеродактилей, но совершать нечто подобное в иных областях ученым иногда удается. Речь идет о «воскрешении» тех химических элементов, которые когда-то «обитали» на нашей планете, но постепенно в результате радиоактивного распада практически полностью исчезли. Первым таким элементом был полученный в 1937 году технеций. Впрочем, сначала-небольшой экскурс в историю химии.

Еще в 1846 году работавший в России химик и минералог Р. Герман нашел в Ильменских горах на Урале неизвестный ранее минерал, названный им иттроильменитом. Ученый не успокоился на достигнутом и попытался выделить из него новый химический элемент, который, как он считал, содержится в минерале. Но не успел он открыть свой ильмений. как известный немецкий химик Г. Розе «закрыл» его, доказав ошибочность работ Германа. (Вскоре тот сумел отомстить: когда Розе объявил об открытии им пелопия, Герман, приложив немало усилий, убедительно опроверг выводы Розе.)

Спустя четверть века ильмений снова появился на авансцене химии — о нем вспомнили как о претенденте на роль «эка-марганца», который должен был занять пустовавшее в периодической системе место под номером 43. Но репутация ильмения была сильно «подмочена» работами Г. Розе, и, несмотря на то, что многие его свойства, в том числе и атомный вес, вполне подходили для элемента № 43, Д. И. Менделеев не стал оформлять ему прописку в своей таблице. Дальнейшие исследования окончательно убедили научный мир в том, что ильмений может войти в историю химии лишь с печальной славой одного из многочисленных лжеэлементов.

Поскольку свято место пусто не бывает, претензии на право занять его появлялись одна за другой. Дэвий, люций, ниппоний — все они лопались, словно мыльные пузыри, едва успев появиться на свет.

Но вот в 1925 году немецкие ученые супруги Ида и Вальтер Ноддак опубликовали сообщение о том, что ими обнаружены два новых элемента — мазурий (№ 43) и рений (№ 75). К рению судьба оказалась благосклонной: он тут же был узаконен в правах и незамедлительно занял приготовленную для него резиденцию. А вот к мазурию фортуна повернулась спиной: ни его первооткрыватели, ни другие ученые не могли научно подтвердить открытие этого элемента. Правда, Ида Ноддак заявила, что «в скором времени мазурий, подобно рению, можно будет покупать в магазинах», но химики, как известно, словам не верят, а других, более убедительных доказательств супруги Ноддак представить не могли — список «лжесороктретьих» пополнился еще одним неудачником.

В этот период некоторые ученые начали склоняться к мысли, что далеко не все элементы, предсказанные Менделеевым, в частности элемент № 43, существуют в природе. Может быть, их просто нет и незачем понапрасну терять время и ломать копья? К такому выводу пришел даже крупный немецкий химик Вильгельм Прандтль, наложивший «вето» на открытие мазурия.

Внести ясность в этот вопрос позволила младшая сестра химии — ядерная физика, успевшая уже к тому времени завоевать прочный авторитет. Одна из закономерностей этой науки (замеченная в 20-х годах советским химиком С. А. Щукаревым и окончательно сформулированная в 1934 году немецким физиком Г. Маттаухом) называется правилом Маттауха- Щукарева, или правилом запрета.

Прежде чем разъяснить его суть, напомним, что означают термины «изотоп» и «изобар».

Изотопы — атомы какого-либо химического элемента, имеющие одинаковый заряд атомных ядер, но разные массовые числа. У изобаров же, или, иначе говоря «равнотяжелых» изотопов, напротив, заряды ядер различны, а массовые числа совпадают.

Теперь вернемся к правилу запрета. Смысл его заключается в том, что в природе не могут существовать два стабильных изобара, ядерные заряды которых отличаются на единицу. Другими словами, если у какого-либо химического элемента есть устойчивый изотоп, то его ближайшим соседям по таблице «категорически запрещается» иметь устойчивый изотоп с тем же массовым числом. В этом смысле элементу № 43 явно не повезло: его соседи слева и справа молибден и рутений — позаботились о том, чтобы все стабильные вакансии близлежащих «территорий» принадлежали их изотопам. А это означало, что элементу № 43 выпала тяжкая доля: сколько бы изотопов он не имел, все они обречены на неустойчивость, и, таким образом, им приходилось непрерывно — днем и ночью — распадаться, хотели они того или нет.

Резонно предположите, что когда-то элемент № 43 существовал на Земле в заметных количествах, но постепенно исчез, как утренний туман. Так почему же в таком случае до наших дней сохранились уран и торий? Ведь они тоже радиоактивны и, следовательно, с первых же дней своей жизни распадаются, как говорится, медленно, но верно? Но именно в этом и кроется ответ на наш вопрос: уран и торий только потому и сохранились, что распадаются медленно, значительно медленнее, чем другие элементы с естественной радиоактивностью (и все же за время существования Земли запасы урана в ее природных кладовых уменьшились примерно в сто раз). Расчеты американских радиохимиков показали, что неустойчивый изотоп того или иного элемента имеет шансы дожить в земной коре с момента «сотворения мира» до наших дней только в том случае, если его период полураспада превышает 150 миллионов лет. Забегая вперед, скажем, что когда были получены различные изотопы элемента № 43, выяснилось, что период полураспада самого долгоживущего из них лишь немногим больше двух с половиной миллионов лет, и, значит, последние его атомы перестали существовать, видимо, даже задолго до появления на Земле первого динозавра: ведь наша планета «функционирует» во Вселенной уже примерно 4,5 миллиарда лет.

Стало быть, если ученые хотели «пощупать» своими руками элемент № 43, его нужно было этими же руками и создавать, поскольку природа давно внесла его в списки пропавших. Но по плечу ли науке такая задача?

Да, по плечу. Это впервые экспериментально доказал еще в 1919 году замечательный английский физик Эрнест Резерфорд. Он подверг ядро атомов азота ожесточенной бомбардировке, в которой орудиями служили все время распадавшиеся атомы радия, а снарядами — образующиеся при этом альфа-частицы. В результате длительного обстрела ядра атомов азота пополнились протонами и он превратился в кислород.

Опыты Резерфорда вооружили ученых необыкновенной артиллерией: с ее помощью можно было не разрушать, а создавать — превращать одни вещества в другие, получать новые элементы.

Так почему бы не попытаться добыть таким путем элемент № 43? За решение этой проблемы взялся молодой итальянский физик Эмилио Сегре. В начале 30-х годов он работал в Римском университете под руководством уже тогда знаменитого Энрико Ферми. Вместе с другими «мальчуганами» (так Ферми шутливо называл своих талантливых учеников) Сегре принимал участие в опытах по нейтронному облучению урана, решал многие другие проблемы ядерной физики. Но вот молодой ученый получил заманчивое предложение — возглавить кафедру физики в Палермском университете. Когда он приехал в древнюю столицу Сицилии, его ждало разочарование: лаборатория, которой ему предстояло руководить, была более чем скромной и вид ее отнюдь не располагал к научным подвигам.

Но велико было желание Сегре глубже проникнуть в тайны атома. Летом 1936 года он пересекает океан, чтобы побывать в американском городе Беркли. Здесь, в радиационной лаборатории Калифорнийского университета уже несколько лет действовал изобретенный Эрнестом Лоуренсом циклотрон — ускоритель атомных частиц. Сегодня это небольшое устройство показалось бы физикам чем-то вроде детской игрушки, но в то время первый в мире циклотрон вызывал восхищение и зависть ученых из других лабораторий (в 1939 году за его создание Э. Лоуренс был удостоен Нобелевской премии).

Незаметно подошел к концу срок пребывания Сегре в США. Трудно ему было расставаться с циклотроном — о подобном оборудовании он не мог тогда и мечтать. Незадолго до отъезда ученому пришла в голову интересная мысль: захватить с собой в Италию пластинку молибдена, на которую в течение нескольких месяцев обрушивался мощный поток ускоренных на циклотроне дейтронов — ядер тяжелого водорода (дейтерия). Лоуренс охотно пошел навстречу своему коллеге, и тот вернулся в Палермо с несколькими образцами невзрачного на вид, но драгоценного молибдена.

Зачем же они понадобились Сегре? «У нас были веские основания думать, писал он впоследствии, — что молибден после бомбардировки его дейтронами должен превратиться в элемент с номером 43…» В самом деле, ведь атом молибдена имеет в своем ядре 42 протона. Если дейтрон, состоящий из протона и нейтрона, сумеет проникнуть в ядро атома молибдена, то в нем окажется уже 43 протона, т. е. как раз столько, сколько должно быть в ядре элемента № 43.

Казалось бы, все просто, но попробуй докажи это экспериментальным путем. Как бы то ни было, в январе 1937 года Сегре и его помощник минералог Карло Перье засучили рукава и приступили к делу.

Прежде всего они выяснили, что заокеанский молибден излучает бета-частицы — быстрые ядерные электроны. Значит, в нем действительно «сидит» радиоактивный изотоп, но какой именно? Это может быть изотоп как самого молибдена, так и других элементов, например циркония, ниобия, рутения или искомого «сорок третьего».

В результате скрупулезного химического «расследования» все элементы, кроме последнего, сумели доказать свою полную непричастность к бета-излучению. После их удаления ученые получили, наконец, долгожданный «эка-марганец». Правда, получили — пожалуй, слишком громко сказано: как выяснилось несколько позднее, они имели дело всего с 0,0000000001 грамма нового вещества. Впрочем, для физиков одна десятимиллиардная доля грамма — не так уж и мало: открытие менделевия (№ 101) было зарегистрировано, когда удалось «добыть» всего 17 атомов этого элемента. Для наглядности приведем такой пример: если все атомы железа, содержащиеся в крохотной булавочной головке, равномерно распределить по поверхности земного шара, то на каждом квадратном метре «обоснуется» добрый десяток миллионов(!) атомов.

Но мы несколько отвлеклись от главных событий, которым посвящен наш рассказ. Итак, в июне 1937 года искусственным путем ученым удалось воссоздать первый из «вымерших» на Земле химических элементов. Не мудрствуя лукаво, Э. Сегре и К. Перье назвали сорок третий элемент технецием, что в переводе с греческого («техникос») значит искусственный.

Хотя технеция в руках ученых было, скажем прямо, не густо, они все же сумели определить некоторые свойства нового элемента и убедились, что он родственник рения, причем довольно близкий, а не «седьмая вода на киселе».

Вполне понятно, как велико было желание химиков и физиков всего мира узнать побольше подробностей об искусственном новоселе таблицы Менделеева. Но чтобы изучать технеций, нужно было его иметь. Все понимали, что на облученный молибден рассчитывать не приходилось: слишком беден он был технецием. Требовалось подыскать более подходящую кандидатуру на роль поставщика этого элемента.

Поиски продолжались недолго: уже в 1940 году все тот же Сегре и его ассистентка By Цзянь-сюн обнаружили, что один из самых долгоживущих изотопов технеция в довольно солидных количествах присутствует в так называемых «осколках», образующихся при делении урана в результате облучения его нейтронами (этот процесс лежит в основе работы ядерных реакторов). На один килограмм «осколков» приходится несколько граммов технеция — тут уже есть о чем поговорить всерьез. Неудивительно, что ядерные реакторы стали по совместительству своеобразными «фабриками», производящими технеций.

Поначалу продукция этих «фабрик» — тяжелый тугоплавкий серебристо-белый металл — стоила, прямо скажем, дороговато — в тысячи раз дороже золота. Но атомная энергетика развивалась весьма энергично (на то она и энергетика!). С каждым годом «сжигалось» все больше ядерного топлива, и урановые «осколки» постепенно становились не столь дефицитным товаром, как прежде. Цена на технеций начала резко падать. Однако процесс извлечения его из радиоактивных «осколков» очень и очень сложен, поэтому еще в 1965 году каждый грамм «синтетического» металла оценивался на мировом рынке в 90 долларов. Но производство его определялось уже не долями миллиграмма, а десятками и сотнями килограммов, и ученые могли теперь всесторонне изучить его свойства, попытаться определить возможные сферы его будущей деятельности.

Важнейшая профессия технеция определилась довольно быстро: борьба с коррозией. Эта коварная «хищница» наносит человечеству огромный ущерб, безжалостно съедая каждый год десятки миллионов тонн стали. Металлурги, правда, умеют варить нержавеющую сталь — «блюдо», которое коррозии не по зубам. Но, во-первых, такая сталь значительно дороже обычной; во-вторых, стали всякие нужны, а сделать металл одновременно и нержавеющим, и, например, износостойким не всегда возможно; наконец, в-третьих, просто не напастись столько хрома и никеля, без которых «нержавейку» не сваришь, как не приготовишь уху без рыбы. Металловеды, химики, физики постоянно ищут способы умерить аппетит коррозии, сделать ее менее прожорливой.

Решить антикоррозионную проблему не так-то просто, но успехов на этом поприще уже немало. Ученые обнаружили, в частности, что некоторые вещества обладают ценнейшими свойствами: они делают поверхность металла химически пассивной и, таким образом, надежно предохраняют изделия от коррозии. Эти вещества получили название ингибиторов (от латинского слова «ингибире» тормозить, удерживать). Самым способным из них оказался технеций: он обладает наибольшим ингибирующим эффектом. Если стальную деталь обработать раствором, в котором присутствуют едва уловимые количества пертехнатов (солей технециевой кислоты) — всего стотысячные доли процента, то она окажется неприступной крепостью для ржавчины. Даже значительный нагрев (до 250 °C) не в силах при этом помочь «агрессору».

Немалый интерес представляет еще одно ценное свойство технеция. Известно, что вблизи абсолютного температурного нуля (-273,16 °C) многие металлы становятся сверхпроводниками, т. е. практически перестают оказывать какое бы то ни было сопротивление прохождению электрического тока. Чем выше точка перехода в сверхпроводящее состояние (так называемая критическая температура), тем большие перспективы сулит это свойство технике. В этом отношении у технеция нет конкурентов: он совершенно беспрепятственно проводит ток при 8,24 К (-264,92 °C), в то время как другим металлам для этого нужно еще немного «поостыть».

Ученые не теряют надежды найти технеций в земной коре, поскольку теоретически можно предположить, что «осколки» урана образуются и в природных кладовых этого элемента; кроме того, не исключена возможность появления технеция в различных горных породах, содержащих молибден, рутений, ниобий: их изотопы под действием космических нейтронов, достигающих Земли, способны превращаться в изотопы элемента № 43.

И все же возлагать большие надежды на нашу планету, пожалуй, не приходится. Вот почему многие исследователи в поисках технеция обратили свой взор (в буквальном смысле) на другие небесные тела. Еще в 1951 году американский астроном Шарлотта Мур опубликовала сенсационное сообщение: спектральным анализом технеций обнаружен на Солнце. Спустя год английский астрофизик Р. Мерилл нашел линии этого элемента в спектре некоторых звезд из созвездий Андромеды и Кита. Правда, дальнейшими исследованиями открытие Мур не подтвердилось, зато существование технеция на далеких звездах неопровержимо доказывали сотни спектрограмм.

Но самое удивительное было в том, что звездные запасы этого элемента оказались вполне сопоставимыми с содержанием циркония, ниобия, молибдена. Может быть, технеций из созвездия Андромеды, в отличие от земного, стабилен и потому распаду не подлежит? Нет, это исключено. Тогда, возможно, звезды, о которых идет речь, намного моложе земли и технеций еще просто не успел превратиться в другие элементы? И такая версия отпадает, потому что эти звезды и наша планета принадлежат к одному «поколению».

В таком случае напрашивается единственный вывод: внутри некоторых небесных тел технеций образуется и в настоящее время. Как это происходит, наука еще не может точно объяснить, а лишь выдвигает ряд гипотез. Видимо, в процессе эволюции звезд в их недрах непрерывно протекают термоядерные реакции и в результате на свет рождаются различные химические элементы.

Вполне возможно, что где-то в просторах Вселенной, за тридевять галактик от Земли, затерялась пока неведомая ученым планета. Кое-где на ее поверхности встречается застывшая лава — вулканы выбросили из недр очередную порцию «свежеприготовленного» технеция. А может быть там и динозавры разгуливают?..