2.15 Кобальт, Никель
advertisement
Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 г. Алексеевки Белгородской области Химия и космос Выполнили: Хижняк Анна, Моисеева Татьяна, ученицы МОУ СОШ №1 г. Алексеевки Белгородской области, 10 класс Руководитель: Харченко Е.П., учитель химии Алексеевка, 2011, октябрь 1 1. Введение Эпиграф: «Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околоземное пространство». К.Э. Циолковский Актуальность проблемы исследования. Химия повсюду… Из чего состоит земля под нашими ногами, солнце и звезды над нашей головой, дома, машины, растения? Химия одевает нас и лечит, помогает выращивать богатые урожаи, строить и украшать наши жилища. Более трех миллионов искусственных соединений – вот итог работы химиков – органиков. Это в тысячу раз больше, чем могла создать природа. Химия, которая ставит на службу человеку и недра земли, и воду, и воздух, химия созидающая, которая дает все новые и новые вещества, нужные человеку, помогает заглянуть в необъятные просторы Вселенной. Без достижений химии нельзя было бы создавать космические корабли. Ведь реактивное топливо для космических кораблей создала химия. Применение этого горючего позволяет космическому кораблю за короткое время развить скорость около тридцати тысяч километров в час, в тридцать раз больше, чем у быстроходного воздушного лайнера. Мощность при этом доходит до двадцати миллионов лошадиных сил! Химия дает возможность космонавту жить в космосе, химические поглотители очищают воздух в корабле. С помощью химии созданы материалы, из которых сделан костюм космонавта, космический корабль. От химии зависит благополучное возвращение космонавтов на Землю: она защитила летающий аппарат, который мог бы сгореть в атмосфере. Актуальность темы определила проблему исследования, связанную с преодолением противоречия между пониманием масштабности деятельности ученых химиков в области освоения космоса и отсутствием элементарных знаний о прикладном значении химических элементов Периодической системы в этом процессе. Гипотеза: Без знаний свойств химических элементов невозможно успешное освоение космических пространств. Проблема: Так ли важно для успешного развития исследований и области космонавтики наличие знаний особенности свойств химических элементов. Цели исследования: 1. Рассмотреть прикладное значение химических элементов для развития космических исследований. 2. Привлечь внимание общественности к космическим достижениям нашей Родины. Объектом исследования является внеклассная работа по химии. Предметом исследования является процесс формирования понятия у старшеклассников значения знаний химии элементов для развития космонавтики в России. 2 2. Основная часть В течение небольшого периода времени с начала космической эры человек не только послал автоматические космические станции к другим планетам и ступил на поверхность Луны, но также произвел революцию в науке о космосе, равной которой не было за всю историю человечества. Наряду с большими техническими достижениями, вызванными развитием космонавтики, были получены новые знания о планете Земля и соседних мирах. Но люди не всегда задумываются, а какие химические элементы и в каком сочетании друг с другом ученые используют для получения необходимого результата. В космической отрасли к применяемым материалам предъявляют высочайшие требования. Приходится считаться не только с прочностью, весом и другими «обыденными» величинами. Нужно учитывать условия: разряженность атмосферы и космический вакуум, а с другой стороны, сильный аэродинамический разогрев, возможность резких температурных перепадов, тепловых ударов. Казалось бы, «сверхскоростные» конструкции нужно делать из наиболее тугоплавких материалов, таких, как вольфрам, молибден, тантал. Эти металлы, конечно, играют видную роль, но не следует забывать, что и у них есть недостатки, ограничивающие возможности применения. При высоких температурах они сравнительно легко окисляются. Обработка их затруднительна. Наконец, они дороги. Поэтому их применяют, когда другими материалами нельзя обойтись, а во многих узлах вместо них работают сплавы на никелевой или кобальтовой основе. В данном исследовании сделана попытка проанализировать свойства всех химических элементов, в большей или меньшей степени используемых в космонавтике[12]. Элементы представлены в порядке расположения их в Периодической системе Д.И. Менделеева. 2.1 Водород Водород – это элемент будущего, вернее будущее за изотопами водорода. Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии, высвобождающейся при реакции: 2 3 4 1 1Н + 1Н → 2Не + 0n + 17,6 МэВ. Эта реакция начинается при 10 млн. градусов и протекает за 1s1 1 ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, причем выделяется гигантское по масштабам Земли количество энергии. Но когда-нибудь настанет время – и это время не за горами, – когда мерилом ценности станет не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода спасут человечество от надвигающегося энергетического голода: в управляемых термоядерных процессах каждый литр природной воды будет давать столько же энергии, сколько ее дают сейчас 300 л бензина. 1 H 3 Протий, дейтерий, тритий... Физические и химические свойства изотопов всех элементов, кроме водорода, практически одинаковы. А вот ядро атома водорода – это один-единственный протон, и если к нему присовокупить нейтрон, масса ядра возрастет почти вдвое, а если два нейтрона – втрое. Поэтому легкий водород (протий) кипит при температуре минус 252,6°C, а температура кипения его изотопов отличается от этой величины на 3,2° (дейтерий) и 4,5° (тритий). Для изотопов это очень большое различие! С водородом, как мы знаем, сегодня связаны, по меньшей мере три надежды: на термоядерную энергию, на передачу энергии почти без потерь (в сверхпроводящих устройствах при температуре жидкого водорода, а не жидкого гелия) и – как на горючее, безвредное для окружающей среды. И все эти надежды связывают, прежде всего, с металлическим водородом, т.е. таким водородом, который представляет собой твердое тело, обладающее высокой электропроводностью и другими свойствами металла. Компактный металлический водород должен быть наиболее удобным водородом-топливом. Кроме того, есть теоретические предпосылки, согласно которым металлический водород может существовать и при обычной температуре, оставаясь при этом сверхпроводником. Металлический водород пытались (и продолжают пытаться) получить разными способами, подвергая обыкновенный твердый водород статическим или динамическим нагрузкам. Первое сообщение о возможном успехе при решении этой важной и сложной проблемы было опубликовано в феврале 1975 г. группой ученых Института физики высоких давлений АН СССР (во главе с академиком Л.Ф. Верещагиным). Осадив на охлажденные до 4,2°К алмазные наковальни тонкий слой водорода и воздействовав на него очень высоким давлением, наблюдали необычное явление. Электрическое сопротивление водорода уменьшилось в миллионы раз – он перешел в металлическое состояние. Это произошло под статическим давлением порядка 3 млн атм. Когда же давление начали снижать, то уже примерно при троекратном уменьшении давления (1 млн атм.) происходил обратный переход водорода из металлического состояния в обычное, диэлектрическое. Впрочем, этот факт исследователи не воспринимали как фатальную неудачу, означающую невозможность существования металлического водорода при нормальном давлении. Они надеются, что металлический водород как-то удастся «закалить» и со временем сделать доступным для ученых разных специальностей. И для ракетной техники, видимо, тоже. 4 2.2 Гелий 2 He 2 Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе. 2.3 Литий Чтобы преодолеть силы земного тяготения и вырваться в космические просторы, необходимо затратить много энергии. Ракета, которая вывела на орбиту корабль-спутник с первым в мире космонавтом Юрием Гагариным, имела шесть двигателей общей мощностью 20 миллионов лошадиных сил! Естественно, что выбор ракетного топлива представляет 1 2 собой проблему исключительной важности. Пока наиболее эффективным горючим считается керосин, окисляемый жидким кислородом. Теплотворность этого топлива составляет 9600 кДж/кг. Хорошие перспективы может иметь применение металлического горючего. Теорию и методику использования металлов в качестве топлива для ракетных двигателей разработали советские ученые Юрий Васильевич Кондратюк (настоящие имя и фамилия - Александр Игнатьевич Шаргей) (1897-1942) и Фридрих Артурович Цандер (1887-1933) - ученые-изобретатели, пионеры отечественной ракетной техники[3]. Одним из наиболее подходящих для этой цели металлов является литий. При сгорании 1 килограмма этого металла выделяется почти 43000 кДж! Большей теплотворностью может похвастать лишь бериллий. В США опубликованы патенты на твердое ракетное топливо, содержащее 51- 68% металлического лития. Любопытно, что в процессе работы ракетных двигателей литий выступает против... лития. Являясь компонентом горючего, он позволяет развивать колоссальные температуры, а обладающие высокой термостойкостью и жароупорностью литиевые керамические материалы, используемые как покрытия сопел и камер сгорания, предохраняют их от разрушительного действия горючего. При сгорании алюминия в кислороде или фторе тоже отмечается высокое тепловыделение. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета "Сатурн" сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка! 3 Li 5 2.4 Бериллий А в начале нашего века в справочниках и энциклопедиях о бериллии говорилось: «Практического применения не имеет». Открытый еще в конце XVIII в. бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя химикам уже были известны его уникальные и очень полезные свойства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», требовался определенный уровень 2 2 2s 2 развития науки и техники. В 30-х годах академик А.Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего[4].. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего. Как бериллий можно использовать в космической технике? 1. Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют намного уменьшить размеры активной зоны реакторов, увеличить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его использование считают экономически оправданным, особенно в небольших энергетических реакторах для самолетов и морских судов. 2. Большая теплопроводность (в 4 раза выше, чем у стали), большая теплоемкость и жаропрочность позволяют использовать бериллий и его соединения в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Из бериллия была сделана внешняя тепловая защита капсулы космического корабля «Фрэндшип-7», на котором Джон Гленн первым из американских космонавтов совершил (после Юрия Гагарина и Германа Титова) орбитальный полет. 3. В еще большей мере космическую технику привлекают в бериллии легкость, прочность, жесткость, и особенно – необыкновенно высокое отношение прочности к весу. Поэтому бериллий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиационной технике. 4. Благодаря способности сохранять высокую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах – приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли. Тем не менее, использование бериллия не настолько широко как хотелось бы, т.к.: 1. Это прежде всего хрупкость металла. Она намного усложняет процесс его механической обработки, затрудняет получение больших листов бериллия и сложных профилей, необходимых в тех или иных конструкциях. Предпринимаются упорные попытки устранить этот недостаток. Но, несмотря на некоторые успехи (изготовление металла высокой чистоты, различные технологические усовершенствования), получение пластичного бериллия продолжает оставаться трудной проблемой. 2. Токсичность бериллия. Тщательный контроль за чистотой воздуха, особые системы вентиляции, возможно большая автоматизация производства – все 4 Be 6 это позволяет успешно бороться с токсичностью элемента №4 и его соединений. 3. Высокая стоимость. Цена 1 кг бериллия в США сейчас около 150 долларов, т.е. бериллий в несколько раз дороже титана. Однако рост потребления всегда приводит к технологическим усовершенствованиям, которые в свою очередь способствуют уменьшению издержек производства и цены. В будущем спрос на бериллий возрастет еще больше: ведь этот металл человечество начало применять чуть больше 60 лет назад. И, конечно, достоинства элемента №4 возьмут верх над его недостатками. 2.5 Бор Бор не относится к числу самых распространенных элементов земной коры, на его долю приходится лишь 3·10– 4 % ее веса. Несмотря на это, известно больше 80 собственных минералов бора; в «чужих» минералах он почти не встречается. «Некоммуникабельность» бора объясняют, прежде всего тем, что у комплексных анионов элемента №5 (а именно в таком виде он входит в БОР большинство минералов) нет достаточно распространенных 10,81 аналогов. Главные минералы бора: бура Na2B4O7 · 10H2O, 3 кернит Na2B4О7 · 4H2О и сассолин (или борная кислота), а 2s22p1 также боросиликат датолит. Самые крупные месторождения борного сырья находятся в СССР (Сибирь, Казахстан), США (штат Калифорния), Перу, Аргентине, Турции[5]. Лишь в последние десятилетия бор стал элементом первостепенной важности: и сам элемент №5, и многие его соединения понадобились атомной и ракетной технике, металлургии, металлообработке, химической промышленности и многим другим отраслям. Сейчас бором и его соединениями занимаются в десятках научных лабораторий (и вряд ли этот интерес временный), а он задает одну загадку за другой. Дальность и скорость полета летательных аппаратов (неважно, самолет это или ракета) во многом зависят от теплоты сгорания применяемого горючего. Энергетический «потолок» любого углеводородного топлива не превышает 10,5 тыс. ккал/кг, потому что теплотворная способность самого углерода сравнительно невелика – 7800 ккал/кг. Замена углерода более «калорийными» элементами позволяет получать топливо со значительно лучшими энергетическими характеристиками. Теплота сгорания бора (14 170 ккал/кг) почти вдвое больше, чем углерода. Когда стали подсчитывать, что может дать замена углеводородных топлив бороводородными, то оказалось, что реактивная авиация может выиграть от такой замены очень многое. Во-первых, при заданной дальности полета можно уменьшить габариты самолета, соответственно увеличив его скорость; во-вторых, можно повысить полезную нагрузку и, в-третьих, сократить разбег при взлете. Испытания первых бороводородных топлив были не совсем удачными. Успешнее оказались испытания бороводородных топлив в воздушно-реактивных 5 B 7 двигателях, предназначенных для управляемых снарядов. С переводом на новое топливо летно-технические данные этих снарядов существенно улучшились. Конечно, интерес к бороводородам и их производным объясняется не только возможностью использования их в качестве топлива. Член-корреспондент Академии наук СССР Б.В. Некрасов утверждает, что «химия бороводородов и их производных по своему характеру и богатству синтетических возможностей приближается к органической химии». Подобного мнения придерживаются и многие другие специалисты. «Новая органика» только начинается. Органика на основе бора. И это еще одно подтверждение большого будущего элемента №5. 2.6 Неон 10 Ne НЕОН 20,179 2s22p6 8 2 Неон находят повсюду – «на Земле, в небесах и на море. Наибольшая концентрация его в атмосфере – 0,00182% по объему. А всего на нашей планете около 6,6·1010 т неона. У элемента №10 три стабильных изотопа: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Повсеместно преобладает легкий 20Ne. В воздушном неоне его 90,92%, на долю 21Ne приходится 0,257%, а на долю 22Ne –8,82%. Среднее содержание неона в земной коре мало – всего 7·10– 5 г/т. В изверженных породах, составляющих основную массу литосферы, около 3 млрд т неона[6]. Отсюда, по мере разрушения пород, неон улетучивается в атмосферу. В меньшей мере атмосферу снабжают неоном и природные воды. Неон – самый малочисленный обитатель Земли из всех элементов своего периода. Какие качества неона привлекли к нему внимание криогенщиков? При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо. В жидком неоне замораживают свободные радикалы, консервируют животные ткани и имитируют условия космического пространства в термобарокамерах. В неоновых криостатах безопасно проводить такие деликатные, не терпящие тепла реакции, как прямой синтез Н2О2а из жидкого озона и атомарного водорода или получение фторидов кислорода (О2F2, О3F2 и О4F2). 2.7 Натрий 3 января 1959 г. в небе появилась комета. Не обычная комета – искусственная: из летящей к Луне советской космической ракеты было выпущено облако паров натрия. Яркое свечение натриевой кометы позволило уточнить траекторию первого летательного аппарата, прошедшего по маршруту Земля – Луна. 1 По распространенности на нашей планете натрий занимает 8 1 3s шестое место среди всех элементов. Природные соединения 2 натрия – это полевые шпаты и каменная соль, криолит и селитра, мирабилит и бура, нефелин и ультрамарин. Металлический натрий – и твердый и жидкий – очень хорошо проводит и передает тепло. На этом основано 11 Na 8 его применение в качестве теплоносителя. Такую роль натрий выполняет в довольно многих химических производствах (когда нужен равномерный обогрев с температурой 450...650°C), в машинах для литья под давлением, в клапанах авиационных двигателей, в атомных реакторах. Для атомной техники важно также, что натрий почти не захватывает тепловые нейтроны и не влияет на ход цепной ядерной реакции. 2.8 Магний Для каких целей используют элемент №12 и его соединения? Магний чрезвычайно легок, и это свойство могло бы сделать его прекрасным конструкционным материалом, но, увы – чистый магний мягок и непрочен. Поэтому конструкторы используют магний в виде сплавов его с другими металлами. Особенно широко применяются сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем. Каждый из компонентов вносит свой МАГНИЙ «пай» в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают 24,305 2 прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионную 8 стойкость. Ну, а магний? Магний придает сплаву легкость – 3s2 2 детали из магниевого сплава на 20...30% легче алюминиевых и на 50...75% – чугунных и стальных. Есть немало элементов, которые улучшают магниевые сплавы, повышают их жаростойкость и пластичность, делают устойчивее к окислению. Это литий, бериллий, кальций, церий, кадмий, титан и другие[7]. Магниевые сплавы находят широкое применение. Авиация и реактивная техника, ядерные реакторы, детали моторов, баки для бензина и масла, приборы, корпуса вагонов, автобусов, легковых автомобилей, колеса, масляные насосы, отбойные молотки, пневмобуры, фото и киноаппараты, бинокли – вот далеко не полный перечень областей применения магниевых сплавов. 12 Mg 2.9 Алюминий Около 100 лет назад Николай Гаврилович Чернышевский, сказал об алюминии, что этому металлу суждено великое будущее. Он оказался провидцем: в XX в. элемент №13 алюминий стал основой многих конструкционных материалов. Лопасти вертолетов их винтов во всем мире делают из сплавов системы Al – Mg – Si, потому что эти АЛЮМИНИЙ сплавы обладают очень высокой коррозионной стойкостью и хорошо противостоят вибрационным нагрузкам. Десятки лет 3 26,981 8 исследователи разных стран искали возможность повысить 3s23p1 2 коррозионную стойкость подобных сплавов. В конце концов, уже в 50-х годах появились высокопрочные алюминиевые сплавы с цинком и магнием, обладающие удовлетворительной коррозионной стойкостью. Среди них – отечественные сплавы В95 и В96. В этих сплавах, помимо трех основных компонентов, есть также медь, хром, марганец, цирконий. 13 Al 9 Однако когда авиаконструктор О.К. Антонов приступил к созданию гигантского самолета «Антей» и для силового каркаса «Антея» потребовались большие поковки и штамповки, равнопрочные во всех направлениях, сплавы В95 и В96 не подошли. В сплаве для «Антея» малые добавки марганца, циркония и хрома пришлось заменить железом. Так появился известный сплав В93[9]. В последнее десятилетие возникли новые требования. Для так называемых широкофюзеляжных самолетов ближайшего будущего, рассчитанных на 300...500 пассажиров и на 30...50 тыс. летных часов эксплуатации, повышаются главные критерии – надежность и долговечность. Широкофюзеляжные самолеты и аэробусы на 70...80% будут состоять из алюминиевых сплавов, от которых требуется и очень высокая прочность и очень высокая коррозионная стойкость. А основа таких сплавов – система Аl – Zn – Mg – Сu. В наше время некоторым техническим изделиям приходится попеременно воспринимать то умеренный жар, то неумеренный холод. Не случайно из подобных сплавов были изготовлены баки жидкого водорода и жидкого кислорода на американских ракетах «Сатурн», доставивших на Луну экипажи кораблей «Аполлон». Алюминий широко используется в ракетном топливе. При сгорании алюминия в кислороде и фторе выделяется много тепла. Поэтому его используют как присадку к ракетному топливу. Ракета «Сатурн» сжигает за время полета 36 т алюминиевого порошка. Идею использования металлов в качестве компонента ракетного топлива впервые высказал Ф.А. Цандер. 2.10 Кремний Чем знаменит кремний? Во-первых, этот элемент – второй по распространенности на Земле после кислорода. Масса земной коры более чем на четверть – 27,6% – состоит из кремния. На спутниках, луноходах, космических кораблях и станциях установлены солнечные батареи, преобразующие в электричество лучистую энергию Солнца. В них работают кристаллы полупроводниковых материалов и в первую КРЕМНИЙ очередь кремния. При поглощении кванта света в таком 28,086 4 кристалле освобождаются электроны. Если такие кристаллы 8 составят довольно внушительных размеров панели, то 3s23p2 2 нетрудно соединить проводником освещенный в неосвещенный участки. По проводнику потечет ток. Кремниевые преобразователи солнечной энергии в электрическую уже работают но только в космосе, но и на земле. 14 Si 10 2.11 Калий 19 K КАЛИЙ 39,098 4s1 1 8 8 2 Металлический калий используют как катализатор в производстве некоторых видов синтетического каучука, а также в лабораторной практике. В последнее время основным применением этого металла стало производство перекиси калия К2О2, используемой для регенерации кислорода в космических кораблях. Сплав калия с натрием служит теплоносителем в атомных реакторах, а в производстве титана – восстановителем. 2.12 Скандий Этот серебристый металл почти так же легок, как алюминий, а плавится при температуре, немногим меньшей, чем сталь. Этого металла на земле в 60 раз больше, чем серебра, но стоит он намного дороже золота. До последних лет техника не знала этого металла, он был одним из немногих 2 «безработных» элементов периодической системы. Ныне с 9 его помощью решена одна из важных проблем 8 1 2 3d 4s 2 вычислительной техники. Чем же ценен скандий? Прежде всего, он обладает редким сочетанием высокой теплостойкости с легкостью. Плотность алюминия 2,7 г/см3, а температура плавления 660°C. Кубический сантиметр скандия весит 3,0 г, а температура плавления этого металла 1539°C. Плотность 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°C, на 9° 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[11]. В США была предпринята попытка производства металлического скандия для этих целей, но стало ясно, что скандиевая ракета оказалась бы слишком дорогой. Даже отдельные детали из скандия очень сильно увеличивали ее стоимость. 21 Sc 11 2.13 Титан Титан сегодня - это важнейший конструкционный материал. Это связано с редким сочетанием легкости, прочности и тугоплавкости данного металла. На основе титана создано множество высокопрочных сплавов для авиации, 2 судостроения и ракетной техники. Титан превосходит 10 подавляющее большинство металлов и сплавов, так что 8 2 иногда его даже называют "вечным" металлом. Роль титана как конструкционного материала, основы высокопрочных сплавов для авиации, судостроения и ракетной техники, быстро возрастает. Именно в сплавы идет большая часть выплавляемого в мире титана. Широко известен сплав для авиационной промышленности, состоящий из 90% титана, 6% алюминия и 4% ванадия. В 1976 г в американской печати появились сообщения о новом сплаве того же назначения: 85% титана, 10% ванадия, 3% алюминия и 2% железа. Утверждают, что этот сплав не только лучше, но и экономичнее. А вообще в титановые сплавы входят очень многие элементы, вплоть до платины и палладия. Последние (в количестве 0,1...0,2%) повышают и без того высокую химическую стойкость титановых сплавов. Прочность титана повышают и такие «легирующие добавки», как азот и кислород. Но вместе с прочностью они повышают твердость и, главное, хрупкость титана, поэтому их содержание строжайше регламентируется: в сплав допускается не более 0,15% кислорода и 0,05% азота. Несмотря на то, что титан дорог, замена им более дешевых материалов во многих случаях оказывается экономически не выгодной. Вот характерный пример. Корпус химического аппарата, изготовленный из нержавеющей стали, стоит 150 рублей, а из титанового сплава – 600 рублей. Но при этом стальной реактор служит лишь 6 месяцев, а титановый – 10 лет. Прибавьте затраты на замену стальных реакторов, вынужденные простои оборудования – и станет очевидно, что применять дорогостоящий титан бывает выгоднее, чем сталь. 22 Ti 2.14 Цинк 30 Zn 2 18 8 2 Лишь в наши дни появились аккумуляторы с электродами из серебра и цинка. В частности, такой аккумулятор работал на борту третьего советского искусственного спутника Земли. 2.15 Кобальт, Никель 27 Co 2 12 Эксплуатационные свойства сплавов на основе никеля и кобальта практически идентичны. Но «механизмы прочности» разные. Кобальтовые сплавы своей 28 жаропрочностью обязаны образованию тугоплавких карбидов. Они обладают и малой диффузионной подвижностью. Правда, преимущества таких сплавов перед никелевыми проявляются лишь при температурах от 1038°C 2 и выше. Последнее не должно смущать: известно, что чем 16 выше температура, развивающаяся в двигателе, тем больше 8 его эффективность. Кобальтовые сплавы хороши именно для 3d84s2 2 наиболее эффективных высокотемпературных двигателей. В конструкциях авиационных турбин применяют кобальтовые сплавы, которые содержат от 20 до 27% хрома. Этим достигается высокая «окалиностойкость» материала, позволяющая обходиться без защитных покрытий. Хром, кстати, единственный элемент, увеличивающий стойкость кобальта против окисления и одновременно его прочность при высокой температуре. Все привычнее становятся полеты человека в космос. Но пока на экранах своих телевизоров мы видим лишь ракеты, получающие энергию в результате реакции окисления тех или иных топлив. Вряд ли этот вид «энергоснабжения» можно считать единственным и на будущее. Поднимутся ракеты, тягу которых создадут иные силы. В процессе разработки находятся электротермические, плазменные, ионные ракеты... Важной составной частью двигательной установки любой из таких систем станет, по-видимому, электрогенератор. Электрогенератор большой мощности. Но, как мы знаем, мощные генераторы и весят много, и размеры имеют солидные. Как такую махину поместить на «транспортабельной установке»? Или – что практически более приемлемо – как сделать достаточно мощный и в то же время достаточно легкий генератор? Нужны оптимальные конструкции и оптимальные материалы для них. В разрабатываемых проектах предусмотрен, в частности, атомный реактор с утилизацией тепла в паровой турбине. Крутить эту турбину будет не водяной пар, а ртутный (или пары щелочных металлов). В трубчатом бойлере тепло ядерной реакции испарит ртуть; ртутный пар, пройдя турбину и сделав свое дело, пойдет в конденсатор, где снова станет жидкостью, а затем опять, совершая круговорот, отправится в бойлер. Такие аппараты должны работать без остановок, без осмотра и какого-либо ремонта не менее 10 тыс. часов, т.е. больше года. Судя по публикациям, бойлеры экспериментальных американских генераторов SNAP-2 и SNAP-8 сделаны из кобальтовых сплавов. Эти сплавы применили потому, что они жаропрочны, не подвержены амальгамации (не реагируют с ртутью), коррозионно-устойчивы. Ni 2.16 Селен 34 13 Se 6 18 8 2 Селен используется в изготовлении более сложные устройства того же типа – солнечных батарей, работающих на Земле и в космосе 2.17 Иттрий 39 Y 2 9 18 8 2 Появились и первые «сигналы» о применении иттрия в авиастроении. Это тоже понятно: известно, что иттрийалюминиевые сплавы по прочности почти не уступают стали, что добавка элемента №39 значительно повышает прочность легких авиационных сплавов на основе магния, особенно при повышенных температурах. 2.18 Ниобий 41 Nb 1 12 18 8 2 Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли. 2.19 Молибден 42 Mo 1 13 18 8 2 Когда самолеты перестали делать из дерева и парусины, понадобились не только мощные моторы и легкие металлические листы обшивки, но и жесткий каркас из металлических трубок. Вначале авиация довольствовалась трубами из углеродистой стали, но размеры самолетов все росли... Потребовались трубы значительно большего диаметра, но с малой толщиной стенки. Трубы из хромованадиевой стали в принципе могли бы подойти, но эта сталь не выдерживала протяжки до нужных размеров, а в местах сварки такие трубы при охлаждении «отпускались» и теряли прочность. Выйти из этого тупика удалось благодаря хромомолибденовой стали. Трубы из нее хорошо протягивались, прекрасно сваривались и, что главное, в топких сечениях не «отпускались» при сварке, а, наоборот, самозакалялись на воздухе. Количество молибдена в стали, из которой их протягивали, было крайне невелико: 0,15...0,30%. 14 Что можно противопоставить огненному смерчу, обрушивающемуся на космический корабль при входе в плотные слои атмосферы? Прежде всего теплозащитную обмазку и охлаждение. Да, охлаждение, подобное в принципе охлаждению автомобильных двигателей с помощью радиаторов. Только работать здесь должны более энергоемкие процессы. Много тепла нужно на испарение веществ, но еще больше на сублимацию – перевод из твердого состояния непосредственно в газообразное. При высоких температурах сублимировать способны молибден, вольфрам, золото. Покрытие носовой части корабля молибденом или другим из перечисленных (более дорогих) металлов в значительной мере ослабит силу огненного смерча, через который надо пройти возвращаемому аппарату космического корабля. 2.20 Рутений 44 Ru 1 15 18 8 2 Сплав рутения с платиной нашел применение в топливных элементах некоторых американских искусственных спутников Земли. Сплавы рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием обладают сверхпроводимостью. Термопары, изготовленные из сплава иридия с рутением, позволяют измерять самые высокие температуры. 2.21 Лантан 57 La 2 9 18 18 8 2 Редкоземельные элементы вводят и в состав легких сплавов. Добавки лантана, церия, неодима и празеодима позволили в три с лишним раза поднять температуру размягчения магниевых сплавов и одновременно повысили их коррозионную стойкость. После этого сплавы магния с редкоземельными элементами стали применять для изготовления деталей сверхзвуковых самолетов и оболочек искусственных спутников Земли. 2.22 Индий Важнейшая область применения редкого металла индия производство полупроводников. Индий высокой чистоты необходим для изготовления германиевых выпрямителей и 3 усилителей: он выступает при этом в роли примеси, 18 обеспечивающей дырочную проводимость в германии. 18 Кстати, сам индий, используемый для этой цели, практически 8 2 не содержит примесей: выражаясь языком химиков, его чистота - "шесть девяток", т. е. 99,9999%! Соединение индия с сурьмой, которое технологи называют "антимонид индия", служит основой инфракрасных детекторов, способных "видеть" в темноте нагретые предметы. Индий оказался одним из немногих химических элементов, "командированных" в космос, чтобы вписать новые страницы в технологию неорганических материалов. 49 In 15 В 1975 году, незадолго до начала совместного советско-американского космического полета по программе "Союз"- "Аполлон", командиры экипажей Алексей Архипович Леонов и Томас Стаффорд в беседе с корреспондентом ТАСС высказали свое мнение о значении предстоящих экспериментов на орбите. "Наши астронавты, - добавил Т. Стаффорд, - на борту орбитальной станции "Скайлэб" проводили опыты по выращиванию кристаллов антимонида индия. Удалось получить кристалл самый чистый и самый прочный из всех, когда-либо искусственно полученных на Земле". А в 1978-1980 годах на борту советской орбитальной научной станции "Салют6" были проведены новые технологические эксперименты, в которых "участвовали" индий и его соединения. Можно привести множество других примеров того, как используются в космической отрасли достижения науки ХИМИИ... 2.23 Гафний 72 Hf 5d26s2 2 10 32 18 8 2 78 Pt 1 17 32 18 8 2 Тугоплавкость, способность быстро поглощать и отдавать тепло делают гафний перспективным конструкционным материалом в производстве ракетной техники. Здесь он применяется в виде сплавов с танталом, которые устойчивы к окислению при температуре до 1650°C. 2.24 Платина Стабильность электрических, термоэлектрических и механических свойств платины плюс высочайшая коррозионная и термическая стойкость сделали этот металл незаменимым для современной электротехники, автоматики и телемеханики, радиотехники, точного приборостроения. Из платины делают электроды топливных элементов. Такие элементы применены, например, на космических кораблях серии «Аполлон». 2.25 Ртуть Космические аппараты нашего времени требуют значительных количеств электроэнергии. Регулировка работы двигателей, связь, научные исследования, работа системы жизнеобеспечения – все это требует электричества... 2 Пока основными источниками тока служат аккумуляторы и 18 солнечные батареи. Энергетические потребности 32 космических аппаратов растут и будут расти. Космическим 18 кораблям недалекого будущего понадобятся электростанции 8 на борту. В основе одного из вариантов таких станций – ядерный турбинный генератор. Во многом он подобен обычной тепловой электростанции, но рабочим телом в нем служит не водяной пар, а ртутный. Разогревает его радиоизотопное горючее. Цикл работы такой установки замкнутый: ртутный пар, пройдя турбину, конденсируется и 80 Hg 16 возвращается в бойлер, где опять нагревается и вновь отправляется вращать турбину. 2.26 Полоний Полоний – элемент сегодняшнего и завтрашнего дня. Прежде всего это относится к изотопу полоний-210. Всего известно 27 изотопов полония с массовыми числами от 6 192 до 218. Это один из самых многоизотопных, если можно 18 так выразиться, элементов. Период полураспада самого 32 долгоживущего изотопа – полония-209 – 103 года. Поэтому, 18 естественно, в земной коре есть только радиогенный 8 полоний, и его там исключительно мало – 2·10–14%. У 2 нескольких изотопов полония, существующих в природе, есть собственные имена и символы, определяющие место этих изотопов в радиоактивных рядах. Так, полоний-210 еще называют радием F (RaF), 211Po – AcC', 212Po – ThC', 214Po – PaC', 215Po – AcA, 216Po – ThA и 218Po – RaA. Наиболее важный изотоп полоний-210 – чистый альфа-излучатель. Испускаемые им частицы тормозятся в металле и, пробегая в нем всего несколько микрометров, растрачивают при этом свою энергию. Но энергия не появляется и не исчезает. Энергия альфа-частиц полония превращается в тепло, которое можно использовать, скажем, для обогрева и которое не так уж сложно превратить в электричество. Эту энергию уже используют и на Земле, и в космосе. Изотоп 210Po применен в энергетических установках некоторых искусственных спутников. В частности, он слетал за пределы Земли на советских спутниках «Космос-84» и «Космос-90». Чистые альфа-излучатели, и полоний-210 в первую очередь, имеют перед другими источниками излучения несколько очевидных преимуществ. Во-первых, альфа-частица достаточно массивна и, следовательно, несет много энергии. Вовторых, такие излучатели практически не требуют специальных мер защиты: проникающая способность и длина пробега альфа-частиц минимальны. Есть и втретьих, и в-четвертых, и в-пятых, но эти два преимущества – главные. В принципе для работы на космических станциях в качестве источников энергии приемлемы плутоний-238, долоний-210, стронций-90, церий-144 и кюрий-244. Но у полония-210 есть важное преимущество перед остальными изотопамиконкурентами – самая высокая удельная мощность, 1210 Вт/см3. Он выделяет так много тепловой энергии, что это тепло способно расплавить образец. Чтобы этого не случилось, полоний помещают в свинцовую матрицу. Образующийся сплав полония и свинца имеет температуру плавления около 600°C – намного больше, чем у каждого из составляющих металлов. Мощность, правда, при этом уменьшается, но она остается достаточно большой – около 150 Вт/см3. У. Корлисс и Д. Харви, авторы книги «Источники энергии на радиоактивных изотопах»[1] (на русском языке эта книга вышла в 1967 г.), пишут: «Как показывают новейшие исследования, 210Po может быть использован в пилотируемых космических кораблях». В качестве еще одного достоинства полония-210 они упоминают доступность этого изотопа. В той же книге 84 Po 17 говорится, что висмут и получаемый из него полоний легко разделяются методом ионного обмена. Так что космическая служба полония, видимо, только начинается. А начало положено хорошее. Радиоактивный изотоп полоний-210 служил топливом «печки», установленной на «Луноходе-2». Ночи на Луне очень долги и холодны. В течение 14,5 земных суток луноход находился при температуре ниже –130°C. Но в приборном контейнере все это время должна была сохраняться температура, приемлемая для сложной научной аппаратуры. Полониевый источник тепла был размещен вне приборного контейнера. Полоний излучал тепло непрерывно; но только тогда, когда температура в приборном отсеке опускалась ниже необходимого предела, газ-теплоноситель, подогреваемый полонием, начинал поступать в контейнер. В остальное время избыточное тепло рассеивалось в космическое пространство. Атомную печку «Лунохода-2» отличали полная автономность и абсолютная надежность. Подобные же устройства используют и на Земле. Кроме них, важны полонийбериллиевые и полоний-борные источники нейтронов. Это герметичные металлические ампулы, в которые заключена покрытая полонием-210 керамическая таблетка из карбида бора или карбида бериллия. Поток нейтронов из ядра атома бора или бериллия порождают альфа-частицы, испускаемые полонием. Такие нейтронные источники легки и портативны, совершенно безопасны в работе, очень надежны. Латунная ампула диаметром 2 см и высотой 4 см – советский полоний-бериллиевый источник нейтронов – ежесекундно дает до 90 млн нейтронов. Среди прочих земных дел элемента №84, вероятно, следует упомянуть его применение в стандартных электродных сплавах. Эти сплавы нужны для запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Излучаемые полонием-210 альфа-частицы понижают напряжение, необходимое для образования искры, и, следовательно, облегчают включение двигателя. 3. Заключение «Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» - говорил в свое время великий русский ученый М.В. Ломоносов. С того времени наука далеко 18 продвинулась вперед. Сейчас известно очень много о химических элементах, их свойствах, применении. Много, но далеко не все. Одни элементы изучены лучше, а другие еще предстоит изучить и найти им применение, одни известны науки, а другие еще предстоит открыть, «собрать» в химических и физических лабораториях. Но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что двадцатое столетие по праву называют не только «веком электричества», «атомным веком», «веком химии», «веком биологии», но самое последнее и, по-видимому, также справедливое его название - «космический век». Человечество вступило на путь, ведущий в загадочные космические дали, покоряя которые оно расширит сферу своей деятельности. Космическое будущее человечества - залог его непрерывного развития на пути прогресса и процветания, о котором мечтали и которое создают те, кто работал и работает сегодня в области космонавтики и кому еще предстоит стать достойными продолжателями дела Циолковского, Королева, Гагарина. А эти люди – мы, сидящие сейчас за школьной партой и изучающие огромное многообразие свойств химических элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. 4. Список литературы 19 1. У. Корлисс и Д. Харви «Источники энергии на радиоактивных изотопах», М.:Видеокосмос 1967 г. 2. Под ред.члена-корр.РАН Ю.П.Семенова, «Буран», М.:Машиностроение, 1995, 448 стр.; 3. Журнал «Новости Космонавтики», М.:Видеокосмос, 1994-1998гг. (в частности, 11/152 1997, материалы о "Скиф-ДМ"); 4. «Космонавтика», энциклопедия, М.:Советская энциклопедия, 1985, 528 стр. 5. Сборник статей под ред. Г.Е.Лозино-Лозинского и А.Г.Братухина, «Авиационно-космические системы», М.:Изд-во МАИ, 1997, 416 стр. 6. «Техническая информация» ОНТИ ЦАГИ, 1421 ( 15, август 1981г.) 7. «Ракетно-космическая корпорация ЭНЕРГИЯ имени С.П.Королева», Менонсовполиграф, 1996, 670 стр. 8. О.Г. Газенко, И.Д. Пестров, В.И. Макалов: «Человечество и космос» Москва «Наука»1987 г. 9. В.П. Глушко «Космонавтика». Издательство «Советская энциклопедия» 1970 10. Л.А. Гильберг «От самолета к орбитальному комплексу» Москва «Просвещение» 1992 г. 11. С.В. Чекалкин «Космос - завтрашние заботы» Москва «Знание» 1992 г. Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайтов: 12. http://www.alhimik.ru/ 13. http://shkola2.taba.ru/ 14. http://www.rambler.ru/db/news/msg.html?mid=3036838&s=12 15. http://www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia/hotnews/ 20
