Григорий Николаев - Металл Века

В течение всего XIX века ученые разных стран безуспешно пытались получить металлический титан, который практически был бы свободен от примесей. В природе не существует титана в чистом виде и предстояло извлечь этот металл из его чрезвычайно прочных соединений. Задача была не из легких и многие авторитетные химики попадали впросак.

В 1822 году ошибся известный английский химик Волластон. Исследуя найденные в шлаке металлургического завода кристаллы, он пришел к выводу, что они представляют собой титан, свободный от примесей. Выдающийся шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус присоединился к мнению Волластона. Это заблуждение просуществовало почти 30 лет, пока, наконец, немецкий химик Фридрих Вёлер, сжигая эти кристаллы в струе хлора, не доказал, что ”титан” Волластона представляет собой химическое соединение титана с азотом и углеродом. Впрочем, принять соединения титана за чистый металл было нетрудно: ведь они отливали металлическим блеском, отличались твердостью и тугоплавкостью. Но всем нитридам, карбидам и низшим оксидам титана присуща хрупкость, и хрупкость эту ошибочно приписывали самому элементу.

В 1825 году, восстанавливая фтортитанат калия, Берцелиус пытался получить свободный титан, но эта попытка не дала ожидаемых результатов: металл был загрязнен большим количеством примесей. На протяжении XIX века выделить элемент пробуют многие ученые из разных стран: Вёлер и Девиль, Мерц и Керн, Эбельман, Нильсон и Петерсон, Леви, Муассан и другие. Шведские химики Ларе Фредерик Нильсон и Отто Петерсон получили металл из четыреххлористого титана при помощи натрия в герметическом стальном сосуде. Титан шведских химиков содержал 5 процентов примесей.

Относительно чистый титан в прошлом веке был получен, по всей вероятности, французским химиком Анри Муассаном. Муассан восстанавливал диоксид титана древесным углем, представляющим собой почти чистый углерод. Реакция проходила в известковом тигле при очень высокой температуре. Извлеченный таким способом металл содержал 5 процентов углерода, а последующей очисткой удалось снизить количество примесей в два с половиной раза. Спустя много лет два музейных металлических образца титана, полученного Муассаном, подвергли химическому анализу. Выяснилось, что образцы снаружи были окружены как бы стенкой из железа и карбида титана, а внутри находился относительно чистый металлический титан.

В России опыты над соединениями титана проводил Дмитрий Кириллович Кириллов. Талантливый ученый был тяжело болен, но вынужден был тратить свои личные средства не на серьезное лечение, а на проведение сложных опытов над титановыми рудами, так как царское правительство денег на научные исследования ему не давало. Работе с титаном Кириллов уделял почти все свое время, остающееся после чтения лекций в Московском университете. Результаты своих экспериментов Дмитрий Кириллович опубликовал в брошюре "Исследования над титаном", увидевшей свет в 1875 году.

Но научный поиск Кириллова остался незамеченным. Полученные результаты не привлекли внимания, не послужили базой для дальнейших исследований, не стали отправной точкой для более совершенных опытов и уже через небольшой промежуток времени были забыты. Такое пренебрежение к отечественной науке, равнодушие к ее достижениям и судьбам незаурядных ее представителей были характерными для всего периода существования царского самодержавия.

Наступил XX век, а элемент титан так и не был выделен в свободном состоянии. И Дмитрий Иванович Менделеев, делая обзор элементов IV группы, в своем последнем прижизненном издании "Основ химии", вышедшем в 1906 году, говорил не о металлическом титане, а о четырех его минералах — рутиле, титанистом железняке-ильмените, сфене и перовските. Впрочем, и о соединениях титана в книге говорилось немного. Почему? Об этом сказано буквально следующее: ”Так как титан и цирконий довольно редки в природе, имеют мало практического применения и не представляют новых форм соединений, то мы над ними не можем подробно останавливаться в этом сочинении”.

Принято считать, что первым технически чистый титан получил американский химик Хантер в 1910 году, через 120 лет после открытия элемента. Хантер с сотрудниками трудился в известной фирме ”Дженерал электрик компани”, занимаясь поиском новых тугоплавких материалов для волосков электрических ламп. В то время предполагали, что титан, если его удастся получить в чистом виде, должен плавиться при очень высокой температуре.

Вначале Хантер пытался выделить элемент из фторотитаната натрия при помощи калия в стальном цилиндре. Но лучшие образцы получаемого продукта содержали в себе только две трети титана. Остальную треть составляли примеси. Тогда ученый решил пойти по другому пути. Он попробовал восстановить металл из фторотитаната бария, но и это не дало сколько-нибудь ощущаемых результатов. После этого Хантер стал экспериментировать с оксидами титана.

По методу Муассана был получен титан, загрязненный небольшим количеством углерода, — карбид титана. Из этого соединения путем хлорирования получили четыреххлористый титан. Его очень тщательно очистили, в результате чего образовалась бесцветная, как бы кипящая от взаимодействия с воздухом жидкость. Дальше Хантер с сотрудниками использовал метод Нильсона — Петерсона, проявив максимум осторожности, чтобы не допустить воздух в реакционный сосуд.

В этот стальной реактор — так называемую ”бомбу” емкостью 1 литр — были помещены полкилограмма четыреххлористого титана и вдвое меньшее количество металлического натрия. ”Бомбу” нагрели так, что стенки ее раскалились докрасна. И тогда раздался оглушительный взрыв: между находящимися в сосуде веществами произошла мгновенная химическая реакция.

Полученный продукт представлял собой небольшое количество спекшихся металлических бусинок и порошка.

После охлаждения и промывки бусинки подвергли химическому анализу и оказалось, что удалось получить металлический титан практически без примесей. Но металл разочаровал исследователей.

Предположение о его необычной высокой тугоплавкости не подтвердилось. Основываясь, вероятно, на тугоплавкости титана, загрязненного углеродом, думали, что

чистый металл будет плавиться при температуре еще более высокой — чуть ли не при 6000 °С,

превзойдя тем самым вольфрам и другие тугоплавкие материалы.

Надежды не оправдались. Выяснилось, что чистый титан плавится уже при температуре около 1800 °С и о его применении для нитей накаливания не могло быть и речи.

Но поскольку чистый металл получен, надо исследовать его свойства. Исследовали. И убедились, что титан — очень хрупкий материал, не пригодный для механической обработки. Ковать его можно было только в нагретом состоянии, а при обычной температуре металл рассыпался на куски от незначительного удара. И титан, подобно калию, натрию, кальцию, был отнесен к разряду "бесполезных” металлов — так называемых "элементов для химиков", с которыми можно экспериментировать, но которые не годятся для практического использования.