Этот серебристый металл почти так же легок как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь.
Этого металла на земле в шестьдесят раз больше, чем серебра, но стоит он в сорок раз дороже золота.
До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих «безработных» элементов Периодической системы. Ныне с его помощью решена одна из важных проблем вычислительной техники.
Экабор Менделеева
17 февраля 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев разослал в научные учреждения России и других стран первое изображение «Опыта системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве». Это был отдельный листок, мало похожий на известную теперь всему миру Менделеевскую таблицу.
Таблица появилась двумя годами позже.
В 1871 г. ее клетки, предназначенные для двадцать первого, тридцать первого и тридцать второго элементов, занимали вопросительные знаки. Но, как и в других клетках, рядом с ними стояли цифры атомных весов еще не открытых элементов.
Элемент № 21 Менделеев предложил предварительно назвать экабором, «производя это название от того, что он следует за бором, а слог ЭКА производится от санскритского слова, означающего один». Два других получили названия экасилиция и экаалюминия. В том же 1871 году в статье, опубликованной в журнале Русского химического общества, Менделеев подробно описал свойства всех трех «эков».
«Экабор, — писал он, — в отдельности должен представлять металл… Этот металл будет не летуч, потому, что и все металлы в четных рядах во всех группах (кроме I) не летучи; следовательно, он едва ли может быть открыт обычным путем спектрального анализа. Воду во всяком случае он не будет разлагать при обыкновенной температуре, а при некотором возвышении температуры разложит, подобно тому, как это производят и многие, в этом краю помещенные металлы, образуя основной окисел. Он будет, конечно, растворяться в кислотах…»
Открытие экабора произошло еще при жизни Д. И. Менделеева, в 1879 году. Шведский химик Ларе Фредерик Нильсон, работая над извлечением редкоземельного элемента иттербия, обнаружил новую «редкую землю». Ее свойства поразительно совпадали со свойствами «открытого на кончике пера» экабора.
В честь Скандинавии — своей родины — Нильсон назвал этот элемент скандием.
Однако вещество, полученное шведским ученым, еще не было достаточно чистым. И Нильсон, и его современники, и многие химики последующих лет не смогли отделись этот редкий и рассеянный элемент от бесчисленных примесей.
Сравнительно чистый металлический скандий (94—98%) был получен лишь в 1937 году.
Не так редок, как рассеян…
Почти полвека потратили ученые на выделение элемента № 21. Почему это произошло? Содержание скандия в земной коре составляет 0,0006%. Это значит, что его почти в три раза меньше, чем свинца, но в сто двадцать раз больше, чем ртути. Однако и ртуть, и свинец имеют собственные руды; в состав некоторых минералов они входят в количестве до нескольких процентов, а скандий распределен по земной поверхности так, будто природа решила сделать его вездесущим, но неуловимым.
Наиболее богатый скандием минерал — тортвейтит — один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре. Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за сорок лет, с 1911 по 1952 год, на норвежских рудниках было добыто всего 23 килограмма тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности, добыча тсртвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла… 50 килограммов. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы — стереттит, кольбекит, больцит.
Зато в сотых и тысячных долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях.
Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чешскими учеными Ф. Петру, Б. Гаеком и В. Прохазкой.
Первая стадия — обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твердый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем ее высушивают и прокаливают в газовой печи при температуре 600—700° С. В результате получают светло-розовый порошок окиси скандия с довольно значительными примесями твердой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь, — мокиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо — методом эфирной экстракции. Затем следует еще серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка.
Очищенную окись скандия еще раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при температуре 1100° С и превращают в окись.
Получение металлического скандия из окисла — не менее трудоемкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая ее фтористым водородом или бифторидом аммония. Чтобы переход Sс2O3 в SсF3 был полным, реакцию проводят дважды.
Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при температуре 850° и идет в атмосфере инертного газа — аргона. Затем температура повышается до 1600°. Полученный металлический скандий и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем — от 3 до 5 процентов тантала.
Последняя стадия очистки — вакуумная дистилляция. Температура 1650—1750° С, давление 10-5 мм ртутного столба. После окончания операции в слитке будет около 95% скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99% — еще более сложный многоступенчатый процесс.
Несмотря на это, ученые идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последние годы важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд.
О том, как стремительно растет интерес к скандию, можно судить по количеству книг, брошюр и статей о нем и его соединениях. Если в сороковых годах всю мировую литературу по скандию можно было буквально сосчитать по пальцам, то сейчас известны уже тысячи публикаций. В 1961 г. вышла книга Л. Ф. Борисенко «Скандий. Основные черты геохимии, минералогии, генетические типы месторождений», а в 1963 г. советские ученые Б. И. Коган и В. А. Названова, впервые обобщив данные мировой науки об этом элементе, выпустили обширную монографию «Скандий (экономический анализ)». Разговор об экономике скандия стал возможным и даже необходимым благодаря многочисленным экспериментам, открывшим замечательные свойства скандия и его соединений.
Блеск и нищета єлемента № 21
Чем же ценен скандий?
Прежде всего, он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Удельный вес алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла —1539 градусов Цельсия. Удельный вес стали колеблется (в зависимости от марки) в пределах 7,5 — 7,9 г/см3, температуры плавления различаются в довольно широких пределах (чистое железо плавится при температуре 1530°, на 90 ниже, чем скандий).
Сравнение этих важнейших характеристик скандия и двух самых важных металлов современной техники явно в пользу элемента № 21.
Кроме того, он обладает прекрасными прочностными характеристиками, значительной химической и коррозионной стойкостью.
Благодаря этим свойствам, скандий мог бы стать важным конструкционным материалом в авиации и ракетостроении. В США и была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия многократно увеличивали ее стоимость.
Пытались найти применение скандию и в металлургии. Рассчитывали использовать его в качестве легирующей добавки к чугуну, стали, титано-аллюминиевым сплавам. В ряде случаев были получены обнадеживающие результаты. Например, добавка 1% скандия в алюминий увеличивала прочность сплава в полтора раза. Но и немногие проценты металлического скандия слишком удорожали сплав…
Искали применения скандию и в ядер- ной технике, и в химической промышленности, но в каждом случае многозначные цифры, цены сводили на нет достоинства элемента № 21. Отсюда, конечно, не следует, что эти работы были бесполезными. Напротив, они имели исключительно важное значение, так как помогали выяснить, при каких условиях в настоящем и будущем применение скандия было бы целесообразным.
В последние годы стоимость скандия, его соединений и сплавов постепенно уменьшается. Если в 1959 г. килограмм окиси скандия стоил в США от 15 до 30 тысяч долларов, то через год — уже меньше девяти тысяч. Металлический скандий в это же время стоил соответственно 70 и 45 тысяч долларов. Однако и нынешние цифры трудно назвать иначе, как астрономическими.
Поскольку окись скандия в несколько раз дешевле чистого металла, ее применение в некоторых случаях могло бы оказаться экономически оправданным. У этого невзрачного очень обыкновенного на вид порошка не было достоинств, столь очевидных, как у самого металла, но…
Скандий и математика
Совершим краткий экскурс в один из разделов вычислительной техники.
Важнейший узел любой электронной вычислительной машины — это «запоминающее» устройство. Его роль сводится к тому, чтобы накапливать в машине поступающую информацию.
Вид «запоминающего» устройства во многом определяет тип всей машины. У разных машин оперативная «память» разная. В одних ее функции выполняют электронно-лучевые трубки, в других основой «запоминающего» устройства служат ферритовые ячейки, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса. Этот тип оперативной «памяти» наиболее распространен и вот почему: ферритовая «память» более надежна; кроме того, она хранит полученную информацию неограниченно долго, не требуя на это затрат энергии.
Как и большинство устройств электронной вычислительной машины, магнитная «память» работает по принципу «да — нет»: либо сигнал имеется, либо отсутствует. Если через обмотку ферритового сердечника подать положительный сигнал, то сердечник намагнитится в одном направлении, если отрицательный — в противоположном направлении. При снятии сигнала ферритовый сердечник остается намагниченным, причем направление намагниченности сохраняется. Состояние сердечника будет характеризовать записанный сигнал. Как прочесть его?
Через обмотку ферритовой ячейки подается сигнал определенной полярности, например, положительной. Если направление магнитного потока, создаваемого сигналом, противоположно направлению магнитного потока в сердечнике, произойдет его перемагничивание, и в выходной обмотке возникнет электродвижущая сила. Если же магнитные потоки сигнала и сердечника совпадают по направлению, то на выходной обмотке сигнал не возникнет. Таким образом отличают, какой сигнал был записан в данной ячейке. Естественно, что чем больше перемагничиваний могут выдержать в единицу времени ферритовые ячейки, тем выше быстродействие машины. Обычно ферриты, применяемые в системах магнитной памяти, изготовляют из окислов железа, магния и марганца, и они обладают остаточной индукцией примерно 2000—3000 гаусс. Они способны перемагничиваться примерно 300 тысяч раз в секунду, т. е. ежесекундно передавать 300 000 единиц информации. При большей частоте перемагничивания они быстро разогреваются и теряют свои замечательные магнитные свойства.
В связи с колоссальной сложностью задач, которые приходится решать электронно-счетным машинам, эта скорость стала недостаточной. Появилась потребность в новых ферримагнитных материалах, которые позволили бы увеличить быстродействие электронных машин. Советские физики Д. Е. Бондарев и Ю. В. Басихин задались целью разработать ферриты с пониженной остаточной индукцией, которые можно было бы изготовлять, не изменяя существующей технологии.
Теоретические исследования показали, что величина остаточной магнитной индукции феррита зависит от заполненности электронами 3d и 4s подслоев электронных оболочек у ионов окислов, входящих в феррит. Это позволило выяснить, окислы каких элементов следует добавлять в феррит, чтобы понизить его остаточную индукцию. Наиболее эффективной добавкой оказалась окись скандия.
Началась серия опытов. В разных количествах окись скандия добавлялась в материал ферритовых сердечников. Испытывались различные композиции, но технология приготовления ферритов новых марок почти не отличалась от традиционной. Через год были получены ферриты, индукция которых не превышала 800—1000 гаусс. Это в 3 раза меньше, чем у обычных! Поэтому же намного уменьшился разогрев сердечников при высокочастотном перемагничивании что позволило создать систему магнитной памяти в два-три раза более быстродействующую, чем обычные. Такая память меньше реагирует на помехи и работает со много раз надежнее.
Так начался путь скандия в технику будущего.
Инженер В. Станцо