От Большого взрыва до рублёвой монеты

От Большого взрыва до рублёвой монеты

// Самая полная история одного металла
Авторы: Алексей Паевский («За науку», МФТИ, специально для «Кота Шрёдингера»)

История героя нашей статьи удивительна. Он ждал своего рождения миллионы лет, а своего имени — миллиарды. Большая часть его на Земле навеки скрыта от человека, а тому, что есть, долгое время не могли найти применение. Однако сегодня мы им расплачиваемся, благодаря ему летаем, хотя и зовем чёртом. Итак, знакомьтесь — никель.

Смерть звёзд

Если писать историю атомов никеля, то честнее всего начинать с Большого взрыва. Тогда, более тринадцати миллиардов лет назад, появилась наша Вселенная — со всем веществом в ней. Впрочем, вещество тогда было так себе: очень горячее и очень простое. В период первичного нуклеосинтеза образовались только атомы водорода и гелия (ну и совсем немножечко — лития). Зато всё было сделано в предельно сжатые сроки — какие-то две-три минуты, и весь «кулинарный набор» для изготовления никеля готов.

Термоядерные реакции. Если по-простому, то это когда атомы полегче сливаются в атом потяжелее, за счёт чего вырабатывается энергия. И на вопрос «Почему светит Солнце?» проще всего отвечать: «Потому что водород превращается в гелий».

Потом пришлось подождать. Через 30–40 миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной зажглись первые звёзды и запустились первые термоядерные реакции — начался синтез новых элементов. Впрочем, никель тогда ещё всё равно никак не получался. Изначально в звёздах синтезируются только лёгкие элементы типа углерода, азота и кислорода. Чтобы появились такие металлы, как наш герой, звезда должна погибнуть. Причём далеко не каждая звезда. Например, у нашего Солнца нет шансов родить никель. Оно живёт долго, миллиардов десять лет, и заканчивает свой путь более-менее спокойно: сбрасывает оболочку и превращается в белого карлика.

Изображение: Shutterstock

Чтобы появились тяжёлые металлы, нужен взрыв тяжёлой звезды. Звёзды, массы которых намного больше солнечной, после того как в них выгорает термоядерное топливо, заканчивают свою жизнь взрывом. Перед этим светило коллапсирует — резко сжимается. В этот момент температура и плотность настолько высоки (миллиарды градусов и миллиард граммов на кубический сантиметр), что тяжёлые ядра атомов могут преодолеть электростатическое отталкивание и слиться в ещё более тяжёлое ядро. В обычных условиях такого произойти не может, ведь чем тяжелее ядро, тем больше его положительный заряд — мы все учили в школе таблицу Менделеева. А чем больше заряд, тем сильнее эти ядра отталкиваются друг от друга и тем тяжелее свести их на такое расстояние, на котором возможен термоядерный синтез. Так что только во время взрыва сверхновых два ядра кремния с 14 протонами каждый могут слиться в один атом никеля с 28 протонами.

Субраманьян Чандрасекар

Астрофизик индийского происхождения. В 1983 году ему дали Нобелевскую премию «за теоретические исследования физических процессов, играющих важную роль в строении и эволюции звёзд».

Кстати, есть доля лукавства в утверждении, что у таких, как Солнце, не получится произвести на свет никель. Некоторые жёлтые карлики, судя по всему, вносят в общую копилку Вселенной некоторое количество никеля. Каким образом?

Как уже говорилось, в конце жизни солнцеподобные звёзды, коих во Вселенной большинство, превращаются в белых карликов — очень плотные объекты. Их массы подобны солнечной, однако они гораздо меньше. Термоядерные реакции в них уже не идут. У этих звёзд есть ограничение по массе: белый карлик теоретически не может быть тяжелее 1,44 массы Солнца. Это называется пределом Чандрасекара. Но если белый карлик рождается в двойной системе, где вторая звезда — гигант, то на карлика начинает перетекать вещество с большей звезды. И когда масса белого карлика превышает заветную величину, тоже происходит вспышка сверхновой. Только другого типа — такие взрывы называют сверхновыми типа Iа. И тоже рождаются тяжёлые металлы. В том числе никель. Другое дело, что такой путь рождения нашего героя появился чуть позже — через миллиарды лет после Большого взрыва.

Таким образом, чтобы американцы могли получать на сдачу пятицентовые «никели», умерли многие и многие звёзды. Впрочем, от вспышки сверхновой до медно-никелевых сплавов ещё далеко.

Фото: Shutterstock

Железная катастрофа

Азурит

Водный карбонат меди. Издавна использовался для изготовления красок. Кроме того, указывает на наличие медной руды, да и сам может служить для извлечения меди.

Что происходит после вспышек сверхновых? Долгое время ничего. Атомы разлетаются по Вселенной, какие-то остаются в газовой фазе, какие-то соединяются и образуют частички космической пыли. Гравитация собирает всё это в огромные газопылевые облака. Некоторые из них мы даже можем видеть — это красивейшие туманности Конская Голова, Столпы Творения… То, что стало нашей Солнечной системой, более пяти миллиардов лет назад было таким же облаком.

Однако потом произошло нечто. Вероятнее всего, через это хаотичное скопление вещества прошла ударная волна от вспыхнувшей где-то рядом сверхновой. В результате получился протопланетный диск, в центре которого загорелось Солнце, а вокруг него частички пыли начали слипаться, постепенно образуя планеты.

В составе протоземли были разные вещества, но основную массу составляли силикаты и металлы, в основном железо и никель. Молодая планета была настолько горячая, что металлы расплавились и, будучи более тяжёлыми, чем силикаты, погрузились внутрь. Так наша планета получила мантию и металлическое ядро. Это случилось около полумиллиарда лет после её образования. Специалисты называют это железной катастрофой, хотя правильнее было бы — железно-никелевой.

Польза от этой катастрофы была: Земля обрела магнитное поле. Но и вред тоже: основная часть никеля оказалась спрятана в центре планеты. Лишь один из ста тысяч атомов хотя бы теоретически доступен человеку. Если все мировые запасы этого металла оцениваются в 75 миллионов тонн, то в ядре Земли никеля на много порядков больше. Но увы, имеем то, что имеем — а именно: часть атомов, соединившихся с медью и серой в виде сульфидных медно-никелевых руд, и часть — в виде окисленных никелевых руд. Но до их открытия ещё оставалось несколько миллиардов лет.

Медный демон и молодой барон

Теперь перенесёмся миллиарда на четыре лет вперёд, в Саксонию XVII века, к горнякам, добывавшим медь. Иногда медная руда, которую поднимали на поверхность, выглядела точно так же, как и обычно, но из неё почему-то не получалось выплавить ни грамма меди. И вообще ничего не получалось, разве что стекловарам отдать, чтобы стекло в зелёный цвет окрасить. Тогда шахтёры говорили, что это балуется маленький озорной дух шахт Старый Ник. Вообще, слово Nikolaus означало двуличного человека или бездельника. Но для шахтёров nickel было в первую очередь ругательством, ведь если Старый Ник шалил — крал медь из руды, — это означало, что день прошёл впустую.

Такая руда в итоге стала называться купферникелем — «медным демоном», «медным дьяволом», и прошло ещё полтораста лет, прежде чем из неё удалось что-то получить.

Аксель Кронштедт

Шведский химик и минералог. Открыл элемент никель. Также известен тем, что ввёл систематическое использование горелок для анализа химического состава полезных ископаемых.

 

Кобальт. Выделенный из минерала в 1735 году, он стал первым металлом, открытым человеком с древнейших времён и имеющим точную дату открытия.

Тунгстен. Сейчас этот минерал называется шеелитом. Металл — вольфрам — из него действительно получили, правда, сделал это не Кронштедт, а другие учёные.

Вольфрамит

Минерал, в который входят вольфрам, железо, марганец, и некоторые другие химические элементы.

Победить Старого Ника сумел молодой барон Аксель Фредрик Кронштедт, ученик великого Георга Брандта, первооткрывателя кобальта. Кронштедт сумел получить из купферникеля, который сейчас называют красным никелевым колчеданом, зелёный оксид никеля (он и окрашивал стекло), а затем и сам никель.

«Купферникель — руда, которая содержит наибольшее количество... описанного полуметалла, — писал 29-летний Кронштедт, — поэтому я дал ему то же имя… назвал его никелем».

Коллеги, впрочем, не поверили в открытие и продолжали считать выделенный металл смесью, к примеру, меди с мышьяком и серой. Отдельно напирали астрологи, указывая, что все планеты, закреплённые за металлами, уже закончились — и что теперь делать?

Кронштедт стоял на своём. В том же 1751 году он открыл минерал тунгстен и попытался получить из него новый металл. На все претензии он, памятуя об открытом учителем кобальте, бодро отвечал, что металлов и так уже больше, чем планет, и астрологи могут пойти перекурить.

Эта перепалка продолжалась долго, а прожил Кронштедт очень мало. Он умер в 1765 году в возрасте 43 лет, не дождавшись признания своего открытия. В 1775 году во французской Энциклопедии (той самой, составленной Дидро и Д’Аламбером) про никель можно было прочитать: «Кажется, что ещё должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить нас, есть ли этот королёк “никеля”, о котором говорит г. Кронштедт, особый полуметалл, или его скорее следует считать соединением железа, мышьяка, висмута, кобальта и даже меди с серой».

В общем, пришлось ждать работ Торберна Улафа Бергмана, автора первых буквенных символов химических элементов, который смог получить ещё более чистый никель, чем Кронштедт, и описать его свойства. А ещё надо упомянуть великого Жозефа Луи Пруста, сформулировавшего закон постоянства состава. Главным аргументом в пользу самостоятельности никеля стало для французского химика то, что раствор никелевого купороса имеет сладкий вкус, а медного, с виду очень похожего, — весьма неприятный.

Однако применения новому металлу всё равно пока не находилось. В вышедшей в самом конце XVIII века книге У. Николсона «Основания химии» говорилось следующее: «Это металлическое вещество не нашло какого-либо применения, и внимание химиков, которые его исследовали, было в основном направлено на получение его в чистом виде, что, однако, до сих пор не сделано».

И вот в 1804 году немецкий химик Иеремия Рихтер получил чистейший никель — металл с серебристым блеском, не меркнущим на воздухе. Он легко обрабатывался и мог противостоять агрессивным средам. Не металл — прелесть! Но одно дело лабораторные опыты и совсем другое — массовое производство: то, что получали на заводе, было совсем непохоже на никель Рихтера. Это нечто не ковалось и было очень хрупким. Не сразу удалось понять, что виной тому крошечные примеси серы. Ещё позже стало понятно, как от них избавиться. И с тех пор никель начал своё триумфальное шествие по планете.

Фото: Shutterstock

Для пользы людской

Кроме ювелиров на никель быстро обратили внимание те, кто делал деньги. Если в XVIII–XIX веках большая часть крупной разменной монеты была серебряной, то уже в начале XX века многие страны начали переходить на никелевые сплавы. В США, к примеру, пятицентовик до сих пор называется nickel. Монеты объединённой Европы тоже без этого металла не обходятся. Да и российские 1, 2 и 5 рублей, хотя и делают из стали, всё равно покрывают никелем — для улучшения внешнего вида и повышения коррозионной стойкости.

Аннабергит

Водный арсенат (соль мышьяковой кислоты) никеля. Этот красивый минерал служит признаком того, что где-то рядом могут быть запасы никелевой руды.

Без никеля человечеству теперь никуда. Точка невозврата была пройдена в сороковых — пятидесятых годах прошлого века. И конечно, дело не в том, что больше не из чего делать монеты (хотя медно-никелевые сплавы или сталь, покрытая никелем, — до сих пор лучший материал для монет), а в том, что человечество вступило в эру реактивной авиации и космонавтики. Реактивные самолёты сделали земной шар гораздо меньше, резко увеличив мобильность каждого конкретного человека. Однако они потребовали материалов, которые могли бы долгое время выдерживать высокие температуры и значительные нагрузки.

Конечно, лопатки турбин реактивных двигателей можно делать из титана, но это очень дорогой, редкий и с трудом поддающийся обработке металл. А вот никелевые сплавы — самое то. Они выдерживают 700–1000 градусов и при этом долгое время сохраняют прочность. Конечно, они состоят не из чистого никеля, но в каждом из таких суперсплавов (по-английски они так и называются — superalloys) не меньше половины никеля (по массе). Остальные металлы — хром, молибден, кобальт, алюминий, титан…

Монетами и турбинами список основных областей применения никеля не ограничивается. Например, автор этих строк крайне благодарен никелю за прекрасный звук басовых струн гитары и за никель-кадмиевый аккумулятор, при помощи которого заводится автомобиль.

Когда автор занимался органической химией, то проводил реакции гидрирования (присоединения водорода) только при помощи катализатора — никеля Ренея. Его придумал американский химик и инженер Мюррей Реней. Никель Ренея — действительно никель, только измельчённый до наночастиц (400–-800 нм) и насыщенный водородом. Интересно, кстати, что эта нанотехнология была придумана ещё в 1926 году.

Да и покрывают никелем не только евромонеты и рубли: никелированную кровать помнят все люди старшего поколения, как и никелированные инструменты — ключи и отвёртки, которыми пользуются все мужчины независимо от возраста.

Ну и давайте вспомним о никелиде титана — сплаве, который запоминает свою форму. Сейчас это самый распространённый сплав с памятью формы. И это не досужая забава, а замечательный материал, который используют и в космосе, и во рту: брекеты, которые постепенно исправляют прикус, основаны именно на этом эффекте и делаются именно из этого сплава.

Так что можно смело сказать, что, если звёзды умирают, значит, это кому-нибудь нужно. По крайней мере нам. 

 

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №10 (12) за октябрь 2015 г.