.
Меню сайта
|
Редкие землиРедкие землиВ 1964 г. исполнилось 170 лет со дня одного выдающегося события. Ни один календарь, ни одна статья в научном или популярном журнале не отметили этой даты. Но в исторической летописи науки 1794 год должен занимать почетное место. Сто семьдесят лет назад финский химик Юхан Гадолин открыл новый элемент, который был назван иттрием. С него началась удивительная история не менее удивительного семейства элементов, которое раньше называли редкими землями, а теперь именуют редкоземельными элементами, или лантаноидами. Сам иттрий в это семейство не включают, однако по своим свойствам он близок редкоземельным элементам и в природе встречается вместе с ними. Химики прошлого называли «землями» окислы некоторых элементов — кальция, магния, бария. Окислы тех элементов, о которых пойдет речь, обладали многими свойствами «земель». И, кроме того, их редко находили в природе. Отсюда и название «редкие земли». В XIX в. редкие земли принесли ученым столько огорчений и разочарований, сколько не дали все остальные элементы, вместе взятые. Хорошо сказал об истории редких земель французский химик Жорж Урбэн: «Это было море ошибок, и истина в нем тонула...» «Гроссмейстер химии» прошлого века швед Йенс Берцелиус в 1803 г. открыл вторую редкую землю — цериевую. Иттрий и церий встречались в одних и тех же минералах и были очень похожи друг на друга. Этот факт оказался своеобразным намеком на грядущие трудности, которые ждали исследователей редких земель. На деле иттрий и церий оказались смесями элементов. В 1839 г. ученик Берцелиуса Карл Мосандер выделил из церия две новых «земли» — лантан и дидим. Через три года он нашел, что иттрий тоже смесь элементов. Тербий и эрбий пополнили список редких земель. В нем значилось теперь шесть представителей. И все они напоминали друг друга, словно братья-близнецы. Такого не было среди других известных элементов. Так родилась проблема редких земель — самая запутанная проблема неорганической химии. Ученые по-разному пытались отличить их друг от друга. Но это оказалось очень трудно. Ведь все они давали одинаковые химические реакции. Их пытались различать по окраске, но цвет их часто менялся в зависимости от способа получения и чистоты «земель». Пытались распознать иттрий по сладковатому вкусу его солей, но этот метод даже тогда вызывал у ученых усмешку. Наступает 1860 г., и немецкие ученые Кирхгоф и Бунзен дают в руки исследователей чудесный способ анализа — спектральный анализ. Каждый элемент имеет свой характерный спектр, и с помощью этой «визитной карточки» любой элемент можно отличить на фоне других. Каждая редкая земля получила теперь свой опознавательный знак, и химики, которые изучали редкие земли, почувствовали, наконец, облегчение. Но спектральный анализ оказался для науки о редкоземельных элементах чем-то вроде мифического троянского коня. В нем таилась опасность, о которой пока еще ученые и не подозревали. Дмитрий Иванович Менделеев сразу почувствовал угрозу для своей периодической системы со стороны редких земель. Пока их было всего шесть. Слишком мало по сравнению с тем, сколько мы знаем их теперь. Слишком много для того, чтобы удачно разместить их в таблице Менделеева. Все они были трехвалентны, все стремились в третью группу системы, но она могла предоставить редким землям всего одно место. Менделеев думал, что пока они плохо изучены. И когда ученые лучше с ними познакомятся, каждая редкая земля получит свое отдельное место в таблице. А спустя тридцать пять лет автор периодического закона с огорчением писал, что в отношении редких земель его личное мнение ни на чем определенном не остановилось. И не мудрено. Ибо с середины 70-х годов в области редких земель возникает то «море ошибок», о котором говорил Урбэн. Спектральный анализ оказался слишком капризным методом. Часто он обнаруживал истину там, где ее не было, новые элементы, даже когда их на деле не существовало. И все потому, что малейшие примеси других веществ искажали картину спектров. И, как в кривом зеркале, ученые видели не то, что было в действительности. Обратная сторона медали приносила беды исследованию редких земель. За каких-то тридцать лет сто раз провозглашалось открытие новых редкоземельных элементов. И только восемь раз эти открытия не были ошибочными. Как снежный ком, росло число редких земель. Сколько их — десять, пятнадцать, двадцать — или им вообще нет числа? И все они похожи друг на друга. Если редкие земли в самом деле элементы, то как располагать их в таблице Менделеева? А может быть, эта таблица и неправильна. Лжеэлементы со звучными названиями — викторий и дагмарий, деципий и космий и многие другие — были словно пороховыми зарядами, грозившими подорвать стройное здание периодической системы. И потребовался поистине титанический труд химиков, чтобы выловить истину из «моря ошибок». В начале XX в. химики установили, что в действительности существуют уже по крайней мере пятнадцать редких земель. Это были наши старые знакомые лантан и церий, тербий и эрбий. Дидим оказался смесью элементов. В 1879 г. француз Лекок де Буабодран извлек из этой смеси первую «составляющую» — самарий, а через шесть лет австриец Ауэр фон Вельсбах разделил остаток на два новых элемента — неодим и празеодим. А от эрбия и тербия ученым удалось отделить неизвестные раньше элементы: от первого — гольмий, тулий и иттербий; от второго — диспрозий и лютеций. И в честь Гадолина одна из действительно открытых редких земель была названа гадолинием. Редкоземельным оказался также и европий. Один представитель этого семейства — прометий — пока не обнаружен в земной коре. Ученые получают его искусственно, путем ядерного синтеза (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»). Почему все редкоземельные элементы так похожи друг на друга? Ответ дали физики. Они показали, что две наружные электронные оболочки у атомов редкоземельных элементов устроены одинаково. А ведь химические свойства элементов как раз зависят от строения внешних электронных оболочек. Если оболочки одинаковы, то и химические свойства очень близки. Своеобразие свойств редкоземельных элементов нашло отражение в периодической системе. Все пятнадцать элементов-близнецов (лантан и 14 лантаноидов — от церия до лютеция) помещают теперь в третью группу таблицы Менделеева, в клетку лантана (см. ст. «Великий закон»). Когда редкоземельными элементами занялись геохимики, то обнаружилась любопытная вещь. Редкие земли оказались отнюдь не такими уже редкими, как это представлялось многим поколениям ученых. Судите сами: запасы редкоземельных элементов в земной коре в два раза превышают запасы олова, в 10 — свинца, в 320 — сурьмы, в 1600 — серебра, в 2500 раз — ртути и в 3200 раз — запасы золота. Словом, редкоземельного сырья в недрах нашей планеты достаточно много. А как же они используются на практике? Долгое время редкоземельные элементы, составляющие 20 % всех известных на Земле металлов, оставались не удел. Требования новой техники положили конец этому неоправданному забвению. Ныне трудно назвать область человеческой деятельности, где бы не участвовали редкоземельные элементы. Каждый год во многих странах устраиваются съезды и конференции, специально посвященные им. О них ежегодно выпускаются сотни научных статей и книг. Редкоземельные металлы отличает высокая химическая активность. С другой стороны, они закипают при высоких температурах. Эти две особенности делают их всегда ценными добавками, входящими в различные стали и чугуны. Они легко входят в состав сплавов и удаляют из сталей вреднейшие примеси — серу, азот, кислород, фосфор. Тем самым значительно улучшаются качества сталей. Всего лишь десятые доли процента так называемого мишметалла (смешанного редкоземельного металла, состоящего в основном из церия) придают стали дополнительную жаропрочность, значительно облегчают ее обработку и делают ее гораздо более стойкой против коррозии. Экономисты весьма удовлетворены тем эффектом, который произвело внедрение редкоземельных элементов в выплавку стали. Ученые недаром считают вмешательство редкоземельных металлов самым выдающимся успехом в сталеварении за последние 50 лет. Содружество редкоземельных элементов с магнием сделало ценнейшие прочные магниевые сплавы еще более ценными. Резко подскочил температурный потолок службы сплавов на основе магния. Теперь эти сплавы, «усиленные» редкоземельными металлами, применяются для отливки деталей сверхзвуковых реактивных самолетов, управляемых снарядов и оболочек искусственных спутников Земли. Широко применяют редкоземельные элементы в силикатной промышленности. Они сообщают стеклам самую разнообразную окраску. Они же придают стеклам высокую прозрачность, не позволяя им желтеть и мутнеть под действием ультрафиолетовых лучей солнца, рентгеновского или гамма-излучения, а на такие стекла современная техника предъявляет огромный спрос. Редкоземельные элементы используются при варке специальных оптических стекол, для астрономических и спектроскопических приборов. Сверхпрочные стекла, светочувствительные стекла, стекла с высокой электропроводностью, с большим показателем преломления — вот ассортимент изделий, которые не обходятся без редкоземельных добавок. А смесь редкоземельных окислов оказывается наилучшим абразивом (полирующим порошком) в весьма ответственном процессе полировки стекол. Уже появился термин: редкоземельная керамика. Она очень нужна при изготовлении специальной радиотехнической аппаратуры. ...Работает ядерный реактор, и безаварийность его работы обеспечивают редкоземельные элементы. Их роль заключается в следующем. От управляемой ядерной реакции до ядерного взрыва, образно говоря, один шаг. Как только количество свободных нейтронов превысит критическое значение, наступает мгновенное расщепление всего ядерного горючего. Нужны «тормоза» — специальные регулирующие стержни. Их задача — поглощать избыток свободных нейтронов. Редкоземельные элементы европий и гадолиний — великолепные поглотители. Их ядра поглощают нейтроны с жадностью, не свойственной другим элементам. Редкоземельные элементы входят в состав керамических и огнеупорных материалов, применяемых в ядерных реакторах. Соли этих элементов участвуют в сложном технологическом процессе отделения плутония, накапливающегося при работе реактора, от оставшегося урана. Радиоизотопы редкоземельных элементов, такие, как прометий-147, тулий-170, церий-144 и европий-150, занимают видное место среди применяемых на практике радиоактивных изотопов. Редкоземельные элементы и их соединения — превосходные катализаторы. Эти элементы используются в радиотехнике и электронике, в медицине и пищевой промышленности, в текстильном и лакокрасочном деле... Практической деятельности редкоземельных элементов посвящаются ныне специальные большие книги. |
ПОИСК
Block title
|