Путешествие в Страну элементов - Л. Бобров

Ионный пар окажет огромную услугу людям и на Земле. В будущем плазменные генераторы вытеснят современные паровые котлы, турбины, генераторы и конденсаторы, такие привычные и вместе с тем, что греха таить, очень неудобные, громоздкие и неэкономичные переводчики тепла в электричество.

Принцип работы плазменных генераторов сравнительно прост. Из сопла газовой турбины со сверхзвуковой скоростью, с оглушающим ревом вырывается нагретый до 3000 °C поток ионизированного газа. По выходе из сопла его стережет сильное магнитное поле. Но, как известно, газы очень слабо ионизируются даже при такой высокой температуре. Их электропроводность несравнима с электропроводностью металла. Чтобы значительно повысить электропроводность газа, необходимо ввести в поток заряженные частицы.

И снова на помощь приходят активные, легкоионизирующиеся щелочные металлы. Цезий (рубидий, калий) впрыскивают в газовый поток.

Для получения электрического тока надо пересечь магнитное поле металлическим проводником: здесь роль металла выполняет электропроводящий газовый поток.

В плазменном генераторе тепло нагретого газа непосредственно переходит в электричество. Его коэффициент полезного действия равен 50–60 процентам, то есть в два раза больше, чем у обыкновенных генераторов тока: паровых котлов, турбин, электрогенераторов и т. д.

Трассы космических кораблей

Щелочные металлы связали свою судьбу с космосом. В этом 2 января 1959 года убедилось все человечество.

В морозную зимнюю ночь в назначенное время от невидимой ракеты, мчащейся к Луне, отделилось желтое пятнышко — облако паров атомарного натрия. Во вселенной появилась первая искусственная комета. С ее помощью определили точные координаты ракеты в момент выброса натриевого облака. Образованное на расстоянии 113 тысяч километров от Земли, оно обладало яркостью звезды шестой величины, звезды, заметной невооруженному человеческому глазу.

Для создания искусственных комет можно использовать все щелочные металлы. Все они легко испаряются и ярко светятся. Каждый элемент таблицы Менделеева светится по-своему, обладает своим, только ему присущим спектром.

Натрий окрашивает пламя в ярко-желтый цвет: киньте щепотку поваренной соли на пламя газовой горелки, и вы в этом легко убедитесь.

В космосе атомы натрия рассеивают желтую часть солнечного спектра, поглощая все остальные. Получается желтая комета, очень яркая. Общее количество света от кометы, на образование которой потребовался один килограмм натрия, такое же, как от электрического прожектора мощностью в 70 тысяч киловатт.

Но можно создать еще более яркую комету, воспользовавшись литием. Во-первых, атомы лития сильно рассеивают определенную часть солнечного спектра; во-вторых, в одном килограмме их в три раза больше, чем атомов натрия. Литиевая комета, образованная одним килограммом металла, будет светиться в 40 раз ярче натриевой. Только она окажется не желтой, а карминово-красной. Калиевая комета будет розово-фиолетовой. При помощи щелочного металла можно сделать путь космического корабля трассирующим: для этого надо выбрасывать литиевые облачка через определенные промежутки времени.

Реагируют со светом

В 1888 году известный русский физик А. Г. Столетов обнаружил, что свет электрической дуги выбивает электроны из цинковой пластинки. Это явление было названо фотоэлектрическим эффектом. Его величина зависит от подвижности электронов в металле, от того, насколько легко вырвать их из атома, ионизировать его. Напряжение поля, в котором внешний электрон атома покидает свою орбиту, называется ионизационным потенциалом.

Для щелочных металлов ионизационные потенциалы малы по сравнению с другими металлами. Для цезия, например, всего лишь 3,9 вольта. Не удивительно, что калий, натрий, а особенно рубидий и цезий очень чувствительны к свету. Немалое количество двух последних идет на производство фотоэлементов.

Что такое фотоэлемент?

Это небольшой, наполненный разреженным инертным газом баллончик, часть внутренней оболочки которого покрыта тончайшим слоем цезия или рубидия. Напротив этой серебристой части баллончика, похожей на отличное зеркало, впаяно кольцо или сетка.

Серебристая часть баллончика — катод, кольцо или сетка — анод. Когда освещается катод, кванты света выбивают электроны. Они движутся к аноду — в цепи возникает ток.

Фотоэлементом можно измерить яркость звезды, еле видимой человеческим глазом.

Фотоэлементы с кислородно-серебряно-цезиевыми катодами «видят» в темноте: они чутко отзываются на инфракрасные и фиолетовые лучи.

Фотоэлемент дал язык Великому Немому (кино), без него невозможно было бы телевидение. Он неотъемлемая часть множества современных установок для автоматизации производственных процессов.

Щелочные металлы и атомный реактор

Ученые расковали атомное ядро, добрались до неисчерпаемого клада энергии и… тут же столкнулись с серьезной проблемой.

Урановый реактор надо охлаждать, отводить непрерывно выделяемое им тепло. Возникла необходимость в веществе, которое бы эффективно и быстро отбирало тепло, легко проходило по трубам охлаждающей системы и было жидким при температуре в несколько сот градусов. Такова температура охлаждаемых частей реактора.

Вода — старый, испытанный теплоноситель. Теплоемкость у нее отличная, очень неплохая теплопроводность, в трубах не застрянет, но… но уже при 100 °C превращается в пар. На воде успешно работают многие реакторы, но ее низкая температура кипения требует сооружения систем высокого давления. К тому же при высоких температурах вода вступает в химическое взаимодействие с материалами конструкции.

Использование щелочных металлов в качестве теплоносителя позволяет упростить установку. Натрий, например, быстро и эффективно отбирает тепло. Он плавится при 97,8 °C, а кипит при 890 °C. Следовательно, он жидкость на протяжении почти 800 градусов. А это свойство далеко не маловажное: натрий применяют при высоких температурах и низких давлениях. К тому же он химически не взаимодействует с материалом системы охлаждения. Литий обладает диапазоном жидкого состояния в 1150 °C. Он также употребляется в качестве теплоносителя. Правда, щелочные металлы — гораздо более слабые замедлители нейтронов, чем вода; к тому же их наведенная радиоактивность выше, чем у воды.

В природе и в организме

Земная кора содержит одинаковое количество калия и натрия, примерно 2,5 процента по весу. На суше встречаются мощные залежи солей того и другого элемента, но в океане натрия в 40 раз больше, чем калия. В чем же здесь дело? Обратимся к радиусам ионов щелочных металлов. Вот что для них характерно. Чем больше атомный вес, тем большим ионным радиусом обладает металл, следовательно, тем легче он поддается влиянию со стороны всякого рода заряженных частиц. Такие частицы всегда есть в почве, они притягивают легко деформирующиеся ионы, каковыми являются катионы калия, рубидия и цезия.

С другой стороны, каждый ион является источником электрического поля и оказывает деформирующее действие на заряженные частицы внешней среды, причем тем сильнее, чем меньше ионный радиус. Из щелочных металлов наиболее сильным деформирующим действием обладает катион лития, у которого наименьший ионный радиус (0,78Å). Таким образом, можно сказать, что калий, рубидий и цезий задерживает почва, а литий сам в ней задерживается. У натрия же оптимальный размер иона (0,98Å), он слабо деформируется и слабо