В настоящее время из 103 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева в промышленности используется около 80 элементов, в том числе большая группа редких и рассеянных металлов. К ним относятся: литий, бериллий, титан, вольфрам, молибден, висмут, тантал, скандий, ванадий, галлий, германий, рубидий, иттрий, цирконий, ниобий, индий, теллур, а также радиоактивные металлы – уран, радий, торий и др.
К этой же группе редких и рассеянных металлов относят и так называемые «редкие земли», которые занимают в периодической системе элементов Д.И. Менделеева номера с 57 по 71 (церий, лантан и др.).
Преобладающее большинство редких и рассеянных металлов содержится в земной коре в очень малых количествах, порядка тысячных, десятитысячных и даже стотысячных долей процента. Исключение составляют титан, ванадий, литий, бериллий и некоторые другие. Из редких металлов в самородном состоянии встречаются только висмут и очень редко тантал. За исключением молибдена, вольфрама и титана, большинство редких рассеянных металлов не образует самостоятельных месторождений. Так, например, свинцово-цинковые и медно-колчеданные руды многих месторождений очень часто содержат индий, галлий, таллий, германий, селен, теллур, которые попутно извлекаются при переработке руд на главные металлы – медь, свинец и цинк.
В золе некоторых углей и сланцев часто присутствует значительное количество германия. В калийных солях находятся цезий, рубидий и литий. В молибденовых рудах встречается рений, в циркониевых – гафний, а в бокситах – галлий.
Большая группа редких и редкоземельных металлов встречается в минералах пегматитовых жил.
Для извлечения редких и рассеянных металлов из руды прибегают к очень сложным способам обработки, которые позволяют довести содержание их до промышленных концентраций.
Свойства редких металлов весьма разнообразны и необычайно ценны.
Рассмотрим наиболее важные в промышленном отношении редкие и рассеянные металлы.
Бериллий применяется в сплавах с медью, алюминием и магнием. Эти сплавы обладают большой прочностью, химической устойчивостью и легкостью. Твердость железа от прибавления бериллия увеличивается в 6 раз. Сплавы бериллия применяются в технике. Главный минерал бериллия – берилл (силикат алюминия и бериллия). Встречается он главным образом в пегматитовых и кварцевых жилах.
Ванадий идет для производства особо вязких и прочных сталей и входит важной составной частью в сплав с алюминием. Эти стали и сплав используются в автомобильной и авиационной промышленности. Соединения ванадия употребляются в производстве различных красок, в фотографии и медицине. Ванадий добывают из минералов – ванадинита, тюямунита и др. – или попутно извлекают из руд других металлов (титаномагнетиков, бурых железняков, бокситов).
Висмут применяется при изготовлении легкоплавких сплавов, которые нужны в типографском деле, в производстве предохранительных пробок к паровым котлам, автоматическим огнетушителям и т.д.
Кроме того, висмутовые соли используются в медицине, при изготовлении фотобумаги, красок и стекол с высоким показателем преломления.
Галлий используется для изготовления высокотемпературных кварцевых термометров, заменяя в них ртуть, для специальных оптических зеркал, а также в медицине.
Германий, индий, селен, теллур и некоторые другие используются в полупроводниках, для изготовления стекол с очень высоким показателем преломления, в радиотехнике как элементы с очень высоким сопротивлением и в медицине.
Литий дает легкие и вместе с тем твердые сплавы с алюминием, магнием и другими металлами. Литий используется в технике и медицине. Важнейшим минералом лития является сподумен (алюмосиликат лития). Встречается он в пегматитовых жилах.
Молибден и вольфрам отличаются значительной твердостью, ковкостью, высокой химической стойкостью и тугоплавкостью. Температура плавления молибдена 2600°, а вольфрама 3400°, т.е. выше, чем у всех других металлов. Значительная часть молибдена и вольфрама применяется в качестве добавок при выплавке специальных сортов стали, используемых для изготовления различных видов быстрорежущих инструментов, котлов высокого давления, наиболее ответственных частей автомобилей и др.
Молибден и вольфрам применяются также для электротехнических приборов, радио и рентгена.
Практически весь молибден получают из молибденита (соединения молибдена с серой).
Главными минералами, из которых извлекается вольфрам, являются вольфрамит (соединение вольфрама с железом, марганцем и кислородом) и шеелит (соединение вольфрама с кальцием и кислородом). Эти минералы обычно встречаются в кварцевых жилах и в рудных зонах, расположенных на границе осадочных пород и гранитов.
Ниобий и тантал применяются в производстве особо прочных сортов стали, используемых в технике. Особую роль играет тантал в электровакуумной технике.
Рений широко используется в электротехнике и в химической промышленности, в частности как катализатор (ускоритель процессов).
Рубидий, цезий и селен благодаря своим особым фотоэлектрическим свойствам необходимы в производстве фотоэлементов.
Титан обладает высокой температурой плавления (1725°) и температурой кипения (более 3000°), в нем сочетается легкость с большой прочностью (равной прочности стали). Титан очень стоек к воздействию кислот и щелочей, не поддается ржавлению. Поэтому металлический титан теперь широко применяют в реактивных самолетах и в других областях новейшей техники. Двуокись титана используется для изготовления высококачественных белил, лаков, эмалей, водонепроницаемых материалов. Титан идет в качестве добавки для получения сверхпрочных сталей.
Главное сырье для титановой промышленности – минералы рутил, ильменит и титаномагнетит. Большинство наиболее важных месторождений титана связано с глубинными магматическими породами (габбро и др.) и с россыпями, образовавшимися за счет их разрушения.
В Советском Союзе месторождения титана есть на Урале, Кольском п-ове, Украине, в Казахстане, Сибири, Карелии.
Относительно недавно используется в промышленности цирконий. Окись циркония принадлежит к наиболее огнеупорным окисям. Ее употребляют для изготовления тиглей, химически устойчивых кирпичей и высокотемпературных цементов.
В виде металла цирконий применяется для дающих вспышку порошков, радиоламп, электродов и сплавов. Из циркониевых сталей делают хорошую броню, а с никелем эти стали применяются для производства быстрорежущих инструментов. В последнее время цирконий стал употребляться для изготовления ядерных реакторов. Цирконий извлекают из минералов циркона (соединение циркония с кремнием и кислородом) и бадделеита (соединение циркония с кислородом). Оба минерала встречаются в гранитах и нефелиновых сиенитах, а также и в пегматитовых жилах этих пород. Основная масса циркона добывается теперь из россыпных месторождений.
К радиоактивным металлам относятся торий, уран и радий. В земной коре их немного.
Из радиоактивных металлов особенно важен уран. Будучи исключительно активным элементом, уран никогда не встречается в самородном виде, а только в соединениях с другими элементами.
В 1898 г. Супругам Кюри удалось выделить из урановых соединений новый элемент – радий. Содержание радия в урановой руде ничтожно мало, и для получения 1 г радия надо переработать свыше 2 тыс. т. Урановой руды. Поэтому цена его была колоссальной: 1 г бромистой соли радия стоил до 200 тыс. руб. золотом.
Радий применяется пока главным образом для научных исследований и в медицине.
Урановые руды – важнейший источник колоссальных запасов внутриядерной энергии. При расщеплении 1 т урана выделяется столько же энергии, как при сжигании 100 тыс. т угля.
Сейчас ученые напряженно работают, чтобы возможно скорее овладеть этой новой могучей силой в мирных целях.
В СССР атомная энергия используется в мирных целях: построены атомные электростанции, ледокольный атомоход «Ленин» и т.д.
Недалеко то время, когда ученые откроют дешевые и доступные пути получения атомной энергии в неограниченных количествах. Тогда мы будем иметь электростанции, помещающиеся в чемодане, моторы в несколько лошадиных сил и размером не больше карманных часов, ракетные двигатели, самолеты и автомобили, «заряженные» атомным топливом на ряд лет.