Металлы и человек - Михаил Васильев

В тридцатых годах прошлого века было обнаружено обратное явление: при прохождении тока в цепи из разных проводников в местах их контактов выделяется или поглощается тепло, контакты или нагреваются, или охлаждаются. В полупроводниковой цепи это явление столь интенсивно, что оказалось вполне возможным использовать его в домашних холодильниках.

Такие холодильники с охлаждающим механизмом из полупроводниковых элементов, сквозь которые проходит электрический ток, уже существуют. Они оказываются экономичнее, удобнее, долговечнее всяких других.

Но не о холодильниках главный разговор. Мы упомянули о них потому, что здесь нашло свое отражение явление, которое может быть использовано при разработке конструкций тепловых электростанций будущего.

Очень простой, значительно проще современной ТЭЦ, может получиться полупроводниковая теплоэлектростанция. Стенки ее топки покрывают спаями полупроводников. Жаркое пламя омывает выступающие внутрь спаи, на выходящие наружу «котла» обрушиваются потоки мелкой водяной пыли — для охлаждения. Ведь величина вырабатываем ого термоэлементом тока прямо пропорциональна именно разности температур нагреваемого и охлаждаемого спаев.

Такой представляется сегодня полупроводниковая теплоэлектростанция. Но пока это только мечта, смелая мечта инженеров и физиков. Промышленно пригодного, экономически выгодного прямого превращения тепловой энергии в электрическую мы еще не знаем. Только первые шаги делаются на этом пути. Максимально достигнутый коэффициент полезного действия полупроводникового термоэлемента равен 7 процентам— в четыре-пять раз ниже коэффициента полезного действия современной тепловой электростанции. Многое предстоит еще сделать нашим ученым, чтобы решить сложные вопросы, стоящие на пути к полупроводниковой электростанции.

Полупроводниковые термоэлементы могут быть применены и на других типах электростанций, использующих перепад температур, например на электростанциях, источником энергии у которых служит тепло земных недр.

Геофизики установили, что под струей теплого течения Гольфстрим над самым дном Атлантического океана есть устремленное к югу холодное течение. Можно себе представить полупроводниковую электростанцию, использующую перепад температур между этими течениями.

Вот во всех этих устройствах и принимает участие наряду с другими полупроводниками селен. Еще одно из замечательных свойств селена— способность резко изменять свою электропроводность в зависимости от освещения. На свету его электропроводность в тысячу раз выше, чем в темноте!

Действие света на селен, принцип работы селенового фотоэлемента отличается от действия света на цезий и принципа работы цезиевого фотоэлемента.

Цезий под действием света выбрасывает электроны — это явление называется внешним фотоэффектом. Освещаемый селен увеличивает свою электропроводность — это внутренний фотоэффект.

Теллур так же похож на селен, как селен на серу. Большинство того, что было сказано о свойствах селена, может относиться и к теллуру.

Впервые этот элемент был открыт в 1782 году венгерским химиком Ф. Мюллером. На рубеже девятнадцатого века он получил свое название. Происхождение этого названия имеет одновременно и земное и небесное происхождение, ибо оно произведено от латинского имени планеты Земля.

Теллур обладает более ярко выраженными металлическими свойствами, чем селен. Он имеет серебристо-серый цвет, на холоде хрупок и не ковок. Плавится он при 425 градусах, кипит при 1390 градусах. При комнатной температуре не окисляется. Как и селен, он встречается в самородном состоянии. Получают его из тех же источников, что и селен.

Теллур не изменяет своей проводимости под действием света. Он обладает большей электропроводностью, чем селен, и эта электропроводность возрастает при высоких давлениях.

Теллур находит применение в качестве легирующей присадки к свинцу.

«Зеленая улица» для электронов.

Свинцовый сплав, содержащий 0,5 процента теллура, используют в сернокислотной промышленности для изготовления химической аппаратуры. Такой сплав работает почти вдвое дольше, чем чистый свинец. Добавка долей процента теллура к оловянистым баббитам значительно повышает их твердость, прочность, износоустойчивость. Применяется он и в ряде других случаев.

Мышьяк — сосед селена в периодической системе. Это элемент с достаточно давней биографией. Его соединениями пользовались для получения лекарств и красок еще древние греки; издавна на Руси они применялись для истребления крыс и мышей. И само русское название его происходит от слов «мышь» и «яд».

Мышьяк также может существовать в нескольких аллотропических формах. Наиболее часто встречается серый мышьяк — хрупкий, серо-стального цвета элемент. При атмосферном давлении мышьяк, нагретый до температуры около 600 градусов, испаряется не растворяясь. Только при повышенном давлении можно получить жидкий мышьяк.

Металлический мышьяк применяется в качестве добавок к сплавам свинца, идущим на изготовление дроби. Он входит и в состав некоторых баббитов. Примесь мышьяка к сталям и меди, идущей на электротехнические нужды, считается крайне вредной.

Широкое применение находят соединения мышьяка. Этим и определяется его довольно широкая добыча в целом ряде стран.

Д. И. Менделеев предсказал свойства германия за пятнадцать лет до его открытия в 1886 году немецким химиком А. Винклером. Впрочем, само название этого элемента говорит о национальной принадлежности его первооткрывателя.

Совсем недавно этот удивительный металл светло-серого цвета был почти бесполезным для человека. В настоящее время с ним связаны большие надежды человечества. Это один из важнейших элементов-полупроводников (об их применении мы уже говорили), и поэтому стремительно растет производство германия, причем особенное старание прилагают ученые и инженеры, чтобы получить сверхчистый германий.

Германий — очень рассеянный элемент. Он содержится почти во всех породах, включая граниты и габбро, но везде в ничтожных количествах. Несколько повышенное содержание его отмечается в пыли газогенераторных установок. Вот из них-то и добывают германий. Второй его источник— отходы цинкового производства.

Вследствие высокой хрупкости германий нельзя обрабатывать давлением. Поэтому тонкие пластинки этого металла получают, распиливая слиток алмазной пилой. Фасонные детали получают, плавя германий в графитовых тиглях требующейся формы. Температура плавления германия— 959 градусов, кипения — 2700 градусов.

Особенно широкое применение находит сверхчистый германий, но применяется он и в сплавах. Сплав германия с алюминием рекомендован для изготовления катодов радиоламп. Сплав с золотом используется для получения твердых покрытий на золоте. Покрытие получают простым погружением изделия в сплав, находящийся в жидком виде уже при

500 градусах. Примесь германия в магниевых сплавах делает их более прочными, стойкими против усталости и коррозии.

Таковы элементы, лежащие на границе между металлами и неметаллами.

Остатки рассеянных

В 1871 году великий русский ученый Д. И. Менделеев предсказал, что еще не открытый в то время металл «экаалюминий» должен был быть:

а) легкоплавким;

б) не окисляющимся на воздухе;

в) с удельным весом 5,9 г на куб. см;

г) разлагающим пары воды при красном калении.

Оказалось, что мягкий серебристо-белый металл галлий, открытый четыре года спустя, в 1875 году, французом Лекок де Буабодраном и названный им в честь своей родины галлием:

а) плавится при 30 градусах;

б) окисляется только при красном калении;

в) имеет удельный вес 5,9 г на куб. см;

г) при высокой температуре разлагает пары воды.

Жидкий галлий очень похож на ртуть. Он плавится прямо на ладони. Но он может оставаться жидким, как и всякая переохлажденная жидкость, при значительно более низкой температуре — до минус 40 градусов.

Галлий остается жидким в очень большом диапазоне температур — от 30 до 2200 градусов, поэтому его используют в термометрах, рассчитанных на измерение высоких температур. Вместо стекла для изготовления баллончика и капиллярной трубки в таких термометрах используют кварц, и прибор работает безотказно до температуры в 1300 градусов.

Используется галлий и в сплавах с висмутом, свинцом, кадмием, индием, оловом, таллием и т. д. Эти сплавы имеют низкие температуры плавления— в 16, 20, 45 градусов в зависимости от назначения.

Галлий — очень рассеянный элемент. Основной источник производства этого металла — отходы алюминиевого и цинкового производств.