Реферат: Стронций - Тайна бенгальских жрецов

С.И. Венецкий

В начале прошлого столетия казаки, жившие в Забайкалье, решили переселиться на берега Урова (притока Аргуни) - их привлекли здесь хорошие пахотные земли и неплохой климат. Но вот беда: спустя всего несколько лет многие переселенцы заболели неведомой болезнью, которая скручивала людей, пронизывала болью все тело. Не раз приезжали сюда врачи, но никто из них не смог выяснить причину массового заболевания. Лишь в наше время комплексные биогеохимические экспедиции Академии наук СССР сумели установить, что виновником этого тяжелого недуга был... стронций, которым оказались богаты воды тех мест.

Что же представляет собой этот коварный химический элемент, столь недружелюбно встретивший забайкальских казаков?

Стронций был открыт в конце XVIII века. Своим названием элемент обязан небольшой шотландской деревушке Стронциан (впрочем, уместнее сказать, что скромная деревушка обязана этому металлу тем, что благодаря ему попала в историю химии). В 1787 году в ее окрестностях был найден редкий минерал, названный стронцианитом. Исследования английских химиков А. Кроуфорда и Т. Хопа, немецкого химика М. Клапрота и других ученых, заинтересовавшихся новым минералом, свидетельствовали о том, что в нем присутствует "земля" (оксид) неизвестного в то время науке металла.

Лиха беда начало: уже в 1792 году Хопу удается представить убедительные доказательства существования нового элемента, который был назван стронцием (в русской литературе начала XIX века встречались и другие названия: стронтий, стронциан, стронтиян).

К числу первооткрывателей стронция можно отнести и русского химика Т.Е. Ловица. В том же 1792 году он обнаружил "стронциановую землю" в минерале барите. Но будучи чрезвычайно осторожным, ученый решил не торопиться с выводами, а, следуя принципу "семь раз отмерь", провести еще более тщательные опыты. Когда же они были закончены и Ловиц подготовил к публикации статью "О стронциановой земле в тяжелом шпате", оказалось, что "отрезать" уже было поздно: до России дошли иностранные химические журналы с результатами исследований Хопа, Клапрота и других зарубежных ученых. Да, иногда, пожалуй, не грех и поторопиться...

Знакомство ученых с чистым стронцием состоялось спустя несколько лет, в 1808 году, когда англичанин Г. Дэви сумел впервые выделить этот легкий (легче алюминия) серебристо-белый металл в свободном виде. С химическими же соединениями стронция человек познакомился задолго до описываемых событий. Еще в Древней Индии при совершении священных обрядов в полумраке храмов внезапно вспыхивали таинственные красные огни, наводившие суеверный страх на молящихся. Разумеется, всемогущий Будда был меньше всего причастен к этой иллюминации, зато его верные служители - жрецы, видя испуганные лица своих подопечных, потирали руки от удовольствия. Чтобы добиться такого эффекта, они смешивали соли стронция с углем, серой и бертолетовой солью, прессовали смесь в шарики или пирамиды, а в нужный момент незаметно поджигали. Должно быть, "патент" на такую смесь принадлежал жрецам Бенгалии (одной из индийских провинций), поскольку за этими огнями прочно закрепилось название "бенгальских".

На протяжении многих веков свойство летучих соединений стронция придавать пламени ослепительно яркий красный цвет использовалось в пиротехнике. В России, например, во времена Петра I и Екатерины II без "потешных огней" не обходилось ни одно мало-мальски значительное торжество. Да и в наши дни праздничные салюты и фейерверки радуют взоры букетами красных, зеленых, желтых огней, расцветающих на черном бархате ночного неба.

Но пиротехнические способности "металла красных огней", как называют стронций, нужны не только для развлечений: разве можно подсчитать, сколько человеческих жизней было спасено благодаря сигнальным ракетам, которые при кораблекрушениях, вспыхивая во мраке над океаном, указывали судам, спешащим на помощь, местонахождение тех. кто потерпел бедствие.

Окрашивание пламени долгое время оставалось единственным занятием стронция. Но вот на рубеже XIX и XX веков химики обнаружили, что он может проявить себя на другом поприще - в сахарном производстве: с его помощью удалось заметно повысить извлечение сахара из свекольной патоки - мелассы. Но спустя несколько лет нашелся более дешевый исполнитель этой роли - кальций, и стронций вынужден был уступить ему "сладкое местечко". Любопытно, что в последнее время ставится вопрос о возрождении стронциевого метода обессахаривания мелассы, так как выход сахара в этом случае примерно на 20% выше.

Можно назвать еще много областей, в которых стронций с большим или меньшим успехом пробовал свои силы. Металлургам, например, он помогал очищать сталь от газов и вредных примесей. В производстве глазурей этот элемент позволил обойтись без ядовитых соединений свинца, который к тому же и более дефицитен. В стекольной промышленности стронций (точнее, его окисел) приобрел известность как заменитель дорогостоящих материалов при изготовлении стекловолокна и стекол различного назначения. Синтетические кристаллы титаната стронция по игре и блеску граней способны конкурировать с бриллиантами.

Присутствие стронция в портландцементе повышает его влагоустойчивость, что особенно важно при строительстве гидросооружений. В радиотехнике и электронике этот металл применяют для оксидирования катодов электронных ламп и в качестве газонаполнителя в вакуумной технике, в частности при изготовлении диэлектриков и сегнетоэлектриков. Стронциевые соединения входят в состав люминофоров, малярных красок, консистентных смазок, отличающихся высокой стойкостью. "Дуэт" рубидий - стронций позволяет ученым с большой точностью определять возраст наиболее древних горных пород (Подробнее об этом рассказано в очерке о рубидии "Злой джинн"). Как видите, работы для элемента № 38 хватает. И все же то, что мы перечислили, можно считать лишь эпизодами из жизни стронция. Но прежде чем перейти к самой важной стороне его деятельности, вспомним об одном сравнительно недавнем событии, сообщения о котором долго не сходили с центральных полос газет всего мира.

В марте 1954 года над атоллом Бикини, расположенным в южной части Тихого океана, поднялось гигантское грибовидное облако - результат испытаний американской водородной бомбы. Спустя несколько часов на палубу японского рыболовного судна "Фукурю-Мару", находившегося в открытом море более чем в 150 километрах от эпицентра взрыва, начали падать грязно-белые хлопья радиоактивных осадков. Рыбаки прекратили промысел и взяли курс на Японию, но было поздно: вскоре после возвращения один из членов экипажа умер, а остальные оказались пораженными тяжелой формой лучевой болезни. Едва ли не главным "вирусом" этой болезни был стронций-90, один из многочисленных радиоактивных изотопов, образующихся при ядерном распаде.

В результате такого взрыва в атмосферу выбрасываются десятки миллионов тонн земли и горных пород, буквально начиненных продуктами деления атомных ядер, самый токсичный, а значит, и самый опасный среди которых - стронций-90. Рано или поздно они возвращаются на землю, оседая на поверхность материков и океанов. Теперь радиоактивному стронцию остается один шаг до организма человека. Вместе с фруктами и овощами, усвоившими его из почвы, с питьевой водой, с мясом или молоком домашних животных, "полакомившихся" травой, зараженной стронцием-90, он проникает в организм людей, накапливается там и создает опасные радиоактивные очаги, гибельно воздействующие на костные ткани, мозг, кровь.

Прогрессивное человечество боролось и продолжает бороться за полный запрет атомных и водородных взрывов. Миллионы людей во всем мире горячо приветствовали подписание в Москве в 1963 году международного Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, в космическом пространстве и под водой. Однако это вовсе не означает, что радиоактивный стронций сойдет со сцены: развитие ядерной энергетики создает неограниченные возможности для мирного использования его в науке и технике. Здесь для него работы - непочатый край.

Широкие перспективы открываются перед радиоизотопами стронция в производстве атомных электрических батарей для космических ракет и искусственных спутников Земли. Принцип действия таких батарей основан на способности стронция-90 излучать электроны, обладающие большой энергией, преобразуемой затем в электрическую. Радиостронциевые элементы, соединенные в миниатюрную батарейку (размером со спичечную коробку), способны безотказно служить без перезарядки 15-25 лет.

Атомные батарейки несомненно найдут применение в телефонии и радиотехнике. А вот швейцарские часовщики с успехом использовали крохотные стронциевые батарейки для питания электрочасов.

Неприхотливые и практически вечные источники тока незаменимы на автоматических метеостанциях, расположенных в пустынных, полярных и высокогорных районах нашей планеты. В Канаде, например, на далеком северном острове Аксель-Хейберг в труднодоступном месте действует атомная метеорологическая станция, рассчитанная на работу без обслуживания в течение двух-трех лет. Источником энергии для аппаратуры станции служит изотоп стронция (всего 400 граммов), помещенный в специальный трехслойный сплав и защищенный свинцовым экраном. Теплота, образующаяся при радиоактивном распаде стронция, превращается в электрический ток, который питает приборы для измерения температуры, атмосферного давления, скорости и направления ветра. Полученные данные фиксируются самопишущими приборами и передаются по радио с помощью двух транзисторных передатчиков на расстояние свыше 1500 километров. Вся аппаратура смонтирована в стальном цилиндре высотой 2,5 метра, диаметром 0,65 метра и общей массой около тонны. Душой этого сложного технического комплекса можно без преувеличения назвать маленькие стронциевые батареи.

Несомненный интерес представляет термоэлектрическая стронциевая батарея "Тристан", разработанная учеными фирмы "Сименс" (ФРГ) для проведения подводных исследований. Высокоэффективные термоэлектрические элементы преобразуют энергию распада стронция-90 в электрический ток. Размеры батареи невелики, но весит она 1,4 тонны, поскольку снабжена толстым свинцовым экраном, который надежно защищает обитателей морских пучин и, разумеется, прежде всего людей от радиации - ее уровень вблизи "Тристана" в пять раз меньше допустимого.

Советскими учеными создан изотопный генератор электрической энергии для питания автоматических метеостанций. Главное действующее лицо в нем - все тот же изотоп стронция. Гарантийный срок службы "Бета-С" (так назван генератор) - 10 лет, в течение которых он способен снабжать электрическим током нуждающиеся в нем приборы. А все обслуживание его заключается лишь в профилактических осмотрах - раз в два года. На Лейпцигской ярмарке этот генератор был удостоен золотой медали. Первые образцы его установлены в Забайкалье и в верховьях таежной речки Кручины.

Число приборов различного назначения, в которых используется радиоактивный стронций, растет не по дням, а по часам. Успешно действуют, например, толщиномеры для контроля и управления процессом производства бумаги, тканей, тонких металлических лент, пластмассовых пленок, лакокрасочных покрытий. Изотоп стронция "трудится" в приборах для измерения плотности, вязкости и других характеристик вещества, в дефектоскопах, дозиметрах, сигнализаторах.

С борта судна, направляющегося в Таллинский порт, хорошо видна словно выросшая из воды высокая красная "свеча" - атомный маяк "Таллин". Главная его особенность - радиоизотопные термоэлектрические генераторы, в которых в результате распада стронция-90 возникает тепловая энергия, преобразуемая затем в световую. Иначе говоря, недра атомов стронция можно с родным основанием считать местом рождения мощного луча света, легко пробивающего ночную мглу Балтики. Заметим, что традиционной должности смотрителя в штатном расписании атомного маяка нет: лишь несколько раз в год специалисты посещают его для осмотра аппаратуры. Недавно здесь вырос еще один такой маяк.

На машиностроительных предприятиях часто можно встретить так называемые бета-реле. В их "обязанности" входит контроль подачи заготовок на обработку, проверка исправности инструмента, правильность положения детали и тому подобные "мелкие хлопоты". Принцип действия реле прост. Микрозаряд радиоактивного стронция, излучение которого в двести раз ниже санитарных норм, покоится в свинцовой ампуле с крохотным окошком, прозрачным для бета-излучения (потока электронов). До тех пор пока в "поле зрения" бета-лучей находится деталь или инструмент, т. е. пока все обстоит благополучно, автоматическая система спокойна. Но вот, допустим, сверло внезапно сломалось-теперь уже бета-лучи, не встречая на своем пути преграды, попадают на газоразрядный приемник излучения. Тотчас же реле срабатывает, останавливая механизмы, а на пульте диспетчера вспыхивает сигнальный огонек, указывающий, где произошло повреждение.

При производстве материалов, являющихся изоляторами (бумага, ткани, искусственное волокно, пластмассы и т. д.), вследствие трения возникают электрические заряды, создающие напряжения до нескольких тысяч вольт, - в результате может произойти искровой пробой и возникнуть пожар.

Чтобы избежать этого, до недавнего времени применяли сложную, громоздкую и дорогую аппаратуру, позволяющую с помощью ультрафиолетовых или рентгеновских лучей ионизировать окружающий воздух и тем самым снимать электростатические заряды. Сейчас для этой цели широко пользуются стронциевыми ионизирующими источниками - они недороги, не требуют установки высоковольтной аппаратуры, просты в эксплуатации, компактны и долговечны. Новые приборы позволили в несколько раз повысить производительность прядильных и ткацких станков, резко сократить брак и простои из-за обрыва нитей.

Итак, мирный стронций все увереннее прокладывает себе дорогу в промышленность, спрос на него непрерывно растет. А сможет ли природа удовлетворить потребности человечества в этом металле?

Большинство минералов стронция встречается довольно редко; лишь уже знакомый нам стронцианит и целестин (по-латыни - "небесный") образуют иногда солидные скопления. Вот как описывает свою встречу с целестином замечательный советский геохимик и минералог академик А. Е. Ферсман: "...вдруг в одном разломанном желвачке я увидел какой-то голубой кристаллик: о, это был настоящий целестин! Чудесная прозрачная голубая иголочка, как светлый сапфир с острова Цейлон, как светлый, выгоревший на солнце василек".

Но целестин бывает не только голубым - не менее чудесны его нежно-фиолетовые, розоватые или дымчато-черные кристаллы, встречающиеся в пустотах горных пород. Необыкновенно красивы зеленоватые россыпи его мелких зерен на друзах янтарно-желтой серы.

Пути образования в природе целестина (он представляет собой сернокислую соль стронция) различны, и, чтобы поведать об одном из них, мы снова предоставим слово академику А. Е. Ферсману, поскольку вряд ли кто-нибудь сможет рассказать об этом интереснее и поэтичнее, чем он:

"...Давно-давно, несколько десятков миллионов лет тому назад верхнеюрское море докатывало свои волны до мощных, тогда уже существовавших Кавказских хребтов... На дне прибрежной полосы, на камнях в бесчисленных количествах жили маленькие радиолярии; некоторые из них были прозрачны, как стекло,.. другие представляли собой мелкие белые шарики не больше одного миллиметра, с маленьким стебельком, в три раза большим, чем туловище. Они сидели на камнях, на красивых зарослях мшанок, а иногда покрывали даже иглы морских ежей, путешествуя с ними по морскому дну.

Это были знаменитые радиолярии-акантарии, скелеты которых состояли из иголочек, числом от 18 до 32. Долгое время никто не знал, из чего они образованы, и только случайно было обнаружено, что они состоят не из кремнезема, не из опала, а из сернокислого стронция. Эти бесчисленные радиолярии накапливали в сложном жизненном процессе соль сернокислого стронция, извлекая ее из морской воды, и постепенно строили свои кристаллические иголочки.

Отмирающие радиолярии падали на дно моря. Так было положено начало скоплениям одного из редких металлов..."

Добавим, что не только радиолярии, но и другие морские организмы неравнодушны к стронцию: ученые находили спиральные раковины давно вымерших моллюсков, состоящие из целестина. Некоторые из них достигали внушительных размеров - до 40 сантиметров в поперечнике.

В природе имеются довольно крупные так называемые вулканогенно-осадочные месторождения стронция, например в пустынях Калифорнии и Аризоны в США. (Кстати, замечено, что стронций "любит" жаркий климат, поэтому в северных странах он встречается гораздо реже.). В третичную эпоху этот район был ареной бурной вулканической деятельности.

Термальные воды, поднимавшиеся вместе с лавой из земных недр, были богаты стронцием. Расположенные среди вулканов озера накапливали этот элемент, образуя за тысячелетия весьма солидные его запасы.

Есть стронций и в водах Кара-Богаз-Гола. Постоянное испарение вод залива приводит к тому, что концентрация солей непрерывно возрастает и наконец достигает точки насыщения - соли выпадают в осадок. Содержание стронция в этих осадках иногда составляет 1-2%.

Несколько лет назад геологи обнаружили значительное месторождение целестина в горах Туркмении. Голубые пласты этого ценного минерала залегают на склонах ущелий и глубоких каньонов Куштангтау-горного хребта в юго-западной части Памиро-Алая. Нет сомнения, что туркменский "небесный" камень успешно послужит нашему народному хозяйству.

...Природе не свойственна торопливость: сейчас человек использует запасы стронция, которые она начала создавать миллионы лет назад. Но и сегодня в глубинах земли, в толще морей и океанов происходят сложные химические процессы, возникают скопления ценных элементов, рождаются новые клады, но достанутся они уже не нам, а нашим далеким-далеким потомкам.