О редких и рассеянных. Рассказы о металлах - Сергей Венецкий

В 1818 году Фридрих Штромейер опубликовал подробное описание нового металла, а уже вскоре состоялось несколько «покушений» на его приоритет в открытии кадмия. Первое из них совершил знакомый нам Ролов, однако его притязания были отвергнуты как несостоятельные. Чуть позже Штромейера, но независимо от него тот же элемент открыл в цинковых рудах Силезии немецкий химик Керстен, предложивший назвать элемент мелинумом (что означает «желтый, как айва») — по цвету его сульфида. На след кадмия напали еще двое ученых Гильберт и Джон. Один из них предложил именовать элемент юнонием (по названию открытого в 1804 году астероида Юноны), а другой — клапротием (в честь скончавшегося в 1817 году выдающегося немецкого химика Мартина Генриха Клапрота — первооткрывателя урана, циркония, титана). Но как ни велики заслуги Клапрота перед наукой, его имени не суждено было закрепиться в списке химических элементов: кадмий остался кадмием.

В чистом виде — это довольно тяжелый (тяжелее железа) мягкий металл. Если пруток кадмия приложить к уху и согнуть, то можно услышать характерный треск, вызываемый деформацией кристаллов металла. Такой же звуковой эффект наблюдается и у олова («оловянный крик»).

Сравнительно невысокая температура плавления (321 °C) обусловила широкое применение кадмия в качестве компонента легкоплавких сплавов. К их числу относится, например, сплав Вуда (12,5 % кадмия), который был разработан еще в 1860 году не очень известным английским инженером Вудом; часто это изобретение ошибочно приписывают его однофамильцу — знаменитому американскому физику, но у того есть более чем надежное «алиби»: в момент создания сплава его просто не было на нашей планете — он родился лишь восемь лет спустя. Легкоплавкие сплавы используют как припои, как материал для получения тонких и сложных отливок, в автоматических противопожарных системах, для спайки стекла с металлом.

Кадмиевые сплавы обладают хорошими антифрикционными свойствами. Так, сплав, состоящий из 99 % кадмия и 1 % никеля, применяют для изготовления подшипников, работающих в автомобильных, авиационных и судовых двигателях. Чтобы устранить вредное влияние органических кислот, содержащихся в смазочных материалах, подшипниковые сплавы на основе кадмия иногда покрывают тончайшим слоем индия. В свою очередь кадмиевое покрытие надежно предохраняет железные и стальные изделия от атмосферной коррозии. Раньше для кадмирования металл погружали в расплавленный кадмий: сейчас этот процесс осуществляют только электролитическим путем. Кадмированию подвергают наиболее ответственные детали самолетов, кораблей, а также различные изделия. предназначенные для «несения службы» в условиях тропического климата. Любопытно, что кадмиевые покрытия особенно добросовестно выполняют свои «обязанности» на лоне природы: в сельской местности их коррозионная стойкость заметно выше, чем в промышленных районах. Весьма положительную репутацию в ряде областей техники снискала кадмированная жесть, однако ввиду токсичности кадмия в пищевую промышленность ей вход строго воспрещен. В некоторых странах это запрещение возведено даже в ранг закона.

До недавних пор у кадмиевых покрытий имелся недуг, время от времени дававший о себе знать. Дело в том, что при электролитическом нанесении кадмия на стальную деталь в металл может проникнуть содержащийся в электролите водород. Этот весьма нежеланный гость вызывает у высокопрочных сталей опасное «заболевание» — водородную хрупкость, приводящую к неожиданному разрушению металла под нагрузкой. Получалось, что, с одной стороны, кадмирование надежно предохраняло деталь от коррозии, а с другой — создавало угрозу преждевременного выхода детали из строя. Вот почему конструкторы часто были вынуждены отказываться от «услуг» кадмия.

Ученым Института физической химии Академии наук СССР удалось устранить эту «болезнь» кадмиевых покрытий. В роли лекарства выступил титан. Оказалось, что, если в слое кадмия на тысячу его атомов приходится всего один атом титана, стальная деталь застрахована от возникновения водородной хрупкости, поскольку титан ухитряется в процессе нанесения покрытия вытянуть из стали весь водород.

С кадмированием связана важная веха в биографии так называемых нитевидных кристаллов. Еще во время второй мировой войны было зафиксировано немало случаев, когда по непонятным причинам выходили из строя различные электронные устройства. Как удалось установить, виновниками неполадок оказывались мельчайшие (диаметром 1–2 микрона) кристаллики олова или кадмия, которые вырастали иногда на поверхности стальных деталей, покрытых слоем одного из этих металлов.

Чтобы успешно бороться с нитевидными кристаллами, или «усами» (так начали называть вредную металлическую «растительность»), нужно было их как следует изучить. Усы стали объектом многочисленных исследований, и вскоре выяснилось (поистине нет худа без добра), что они обладают колоссальной прочностью-близкой к теоретически возможной. Такое уникальное свойство сразу переменило отношение к усам. Вскоре были разработаны эффективные методы выращивания тончайших кристаллов для использования во многих областях техники. С тех пор в лабораториях ряда стран выращены кристаллы-нити сотен элементов и соединений, но самое почетное место среди них навсегда оставлено за оловянными и кадмиевыми усами, которые первыми всерьез заинтересовали собой научный мир.

Миллионами километров медной проволоки опутаны наши города: благодаря этой «паутине» бойко курсируют по городским улицам троллейбусы и трамваи. Но при этом их токоснимающие устройства безжалостно истирают медь проводов.

На помощь приходит кадмий: небольшие добавки этого элемента (около 1 %) значительно повышают прочность и твердость меди, практически не ухудшая ее электрических свойств. Даже на самых оживленных транспортных магистралях такие провода служат бессменно долгие годы.

Современная техника немыслима без электрических аккумуляторов. Космические корабли и подводные лодки, автомобили и радиоприемники, телефонные и телеграфные устройства, шахтные светильники и слуховые аппараты, фотовспышки и приборы аварийного освещения — впрочем перечислить все области применения электрических аккумуляторов так же «просто», как пересчитать звезды на небе. Эти несложные приборы, состоящие из двух электродов, погруженных в раствор электролита, накапливают электрическую энергию, превращая ее в химическую, и по мере надобности вновь преобразуют ее в электрический ток. Широкое распространение получили кадмиево-никелевые аккумуляторы. Роль отрицательного «героя» (точнее, электрода) в них выполняют железные сетки с губчатым кадмием, а положительные пластины покрыты окисью никеля; электролитом служит раствор едкого кали. Такие источники тока отличаются высокими электрическими характеристиками, большой надежностью, длительным сроком эксплуатации, а их подзарядка занимает всего 15 минут.

Несколько лет назад одна из фирм США сконструировала бритву с турболучевым приводом, энергию которой сообщают три компактные кадмиево-никелевые батарейки. По сообщениям американской печати, новинкой заинтересовалось Национальное управление по исследованию космического пространства: предполагалось, что космонавты возьмут эту бритву в экспедицию на Луну.

Еще более интересное и несомненно очень полезное применение нашли кадмиево-никелевым батарейкам врачи. Введенные в грудную клетку людей, страдающих сердечной недостаточностью, эти миниатюрные «электростанции» обеспечивают энергией механический стимулятор работы сердца. Но ведь батарейка не может работать вечно — время от времени ее нужно перезаряжать. Неужели каждый раз больной должен ложиться на операционный стол? Разумеется, нет. Для бесперебойной службы батарейки достаточно раз в неделю надевать всего на полтора часа специальную намагниченную куртку. Уже тысячи человек на собственном опыте убедились в достоинствах новых стимуляторов сердечной деятельности.

Недавно кадмий был «принят на службу» английскими криминалистами: с помощью тончайшего слоя этого металла, напыленного на обследуемую поверхность, удается быстро выявить четкие отпечатки пальцев преступника.

Соединения кадмия — «ведущие исполнители» в так называемом нормальном элементе Вестона-своеобразном эталоне электродвижущей силы (э. д. с.). В нем «трудятся» амальгама кадмия, кристаллы его сульфата и водный раствор этой соли. Значения э. д. с. такого прибора при комнатной температуре колеблются в очень узких пределах.

Середина XX века — время удивительных научных открытий, небывалого технического прогресса. Одно из самых значительных достижений человеческого разума — покорение энергии атома. Для овладения фантастическими силами, таящимися в атомном ядре, нужны были не только гениальные мысли, но и материалы с уникальными свойствами. В числе немногих металлов, на которые обратили внимание конструкторы ядерных реакторов, оказался кадмий.