Михаил Васильев - Металлы и человек
Название «редкие земли» имеет сейчас чисто историческое значение, звучит как напоминание о тяжелой истории разделения этих элементов. Химики предложили для них другое имя — «лантаноиды», по имени лантана, первого в ряду элементов, населяющих клетку.
Лантаноиды имеют целый ряд общих химических свойств. Все они — металлы, быстро окисляющиеся на воздухе, медленно разлагающие воду при комнатной температуре и очень энергично при нагревании. Легко вступают в реакции и с большинством неметаллов.
Значительно разнообразнее физические свойства лантаноидов. Празеодим имеет, например, желтый цвет, он похож на медь; диспрозий больше всего напоминает серебро, а церий — свинец. Они резко отличаются, в частности, и по температуре плавления. Иттербий — тугоплавкий металл; чтобы его расплавить, нужна температура в 1780 градусов. А тербий плавится уже при 310 градусах. Самарий — один из самых твердых металлов, он соперничает в этом с закаленной сталью. А лантан и церий можно резать ножом.
Скажем сразу: далеко не все тайны этого клубка металлов разгадали сегодня ученые. И как раз здесь может скрываться еще много неоткрытого. Такого, что может вызвать переворот в целой отрасли техники или промышленности.
Редкоземельные металлы уже и сейчас находят широкие применения. Из церия (конечно, не чистого церия, а сплава его с целой кучей сожителей по клетке периодической системы, так называемого мишметалла) делают камни для зажигалок. Стоит слегка ударить по этому сплаву или про-вести им по неровной поверхности, как возникнет целый фейерверк искр. Это горят отколовшиеся крупинки церия: ведь он вспыхивает при температуре в 165 градусов и горит ярким, ослепительным цветом.
Церий — один из самых изученных лантаноидов. Открывший его в 1803 году шведский химик И. Берцелиус дал ему имя в честь недавно открытой планеты Цереры. Эта древняя традиция давать названия металлам по имени небесных тел, мы знаем, была продолжена даже в наши дни.
Плотность церия — 6,8 г на куб. см, температура плавления — около 793 градусов, кипения — около 2690 градусов.
Ну, а чем замечателен лантан — элемент, давший название целой плеяде металлов?
Лантановую землю впервые выделил в 1839 году шведский химик К. Мосандер. Имя новому металлу он дал от греческого слова «скрываюсь»— «скрывающийся». Однако никаких особых свойств этот элемент, как позже оказалось, не таит в себе. Его удельный вес — 6,1 г на куб. см, температура плавления — 820–850 градусов. А может быть, просто не открыли этих особых свойств в лантане и он до сего дня честно оправдывает свое имя?..
Двойником лантана является другой редкоземельный элемент — празеодим. Имя это в переводе с греческого означает «бледно-зеленый двойник» — так его назвал австрийский химик К. Вельсбах, впервые отделивший его соли. Он же впервые отделил соли еще одного двойника лантана — металла неодима, что в переводе означает «новый двойник».
Название «самарий» — а это имя еще одного члена семейства лантаноидов— как будто бы свидетельствует о том, что он впервые получен русским ученым. Но это не так. Впервые открыл его в 1879 году француз Л. Буабодран и назвал его по имени минерала самарскита, в котором его обнаружил. Но и минерал этот назван не по имени города Самары, а в честь русского горного деятеля В. Е. Самарского. Таково путешествие имени в периодическую систему элементов.
Сам самарий ничем из других лантаноидов не выделяется. Только некоторые соединения его обладают способностью ярко флоуресцировать желто-оранжевым светом. Это их свойство широко используется в фосфоресцирующих смесях.
Такое же применение имеют соли и самого редкого из редкоземельных элементов (не считая прометия, которого вообще нет в природе и который был изготовлен искусственным путем) — европия. Происхождение этого названия, данного в 1901 году французом Э. Демарсе, не вызывает сомнений.
А вот название «гадолиний» дано в честь финского химика Ю. Га-долина швейцарским химиком Ж. Мариньяком, открывшим этот металл в 1880 году. Некоторые соли этого металла сыграли серьезную роль в приближении человека к абсолютному нулю. Дело в том, что, размагничиваясь, эти соединения охлаждаются. В намагниченном виде их охлаждают до предельно возможных температур, а затем размагничивают. Происходит дальнейшее, еще более глубокое охлаждение.
О тербии, двойнике гадолиния, практически ничего не известно, кроме того, что его соли окрашивают соли гадолиния в желтый цвет.
А может быть…
Окислы тербия окрашивают в желтый цвет и окислы другого лантаноида— диспрозия, что в переводе означает «труднодоступный». Это очень интересный металл, также практически почти не изученный. А ведь его соединения являются самыми парамагнитными из всех веществ. Окись этого металла в 15 раз парамагнитнее окиси железа. Впрочем, в парамагнитности лавры первенства с соединениями диспрозия делят соединения другого лантаноида — гольмия, открытого в 1879 году шведом П. Клеве и названного им в честь Стокгольма. Больше и об этом металле, кажется, ничего не известно.
Крылья этой космической электростанции — полупроводниковые германиевые пластинки.
Земляк тербия — эрбий (они были открыты в одном и том же минерале) отличается тем, что его окислы и соли окрашены в красивый ярко-розовый цвет. Раскаленная окись эрбия светится ярким зеленым цветом. Вот и весь комплекс известных особенностей эрбия, отнюдь не в ничтожных, скорее в значительных количествах встречающегося в иттриевых землях.
Придумывая название для открытого им нового элемента, шведский химик П. Клеве проявил редкую в таких случаях оригинальность пристрастий. Он назвал его в честь Туле — легендарной страны, которая, как считали древние греки, находится на крайнем севере земли. Металл получил название «тулий».
Тулий давно ждет применения. По своим свойствам он может служить отличным материалом для изготовления генераторов медицинских рентгеновских аппаратов. Можно приготовлять из него и отличные люминофоры. Но все пока упирается в трудность получения этого металла в чистом виде.
Впрочем, если уж говорить о названиях, то больше всего повезло в этом смысле небольшому селению Иттербю. Находится оно в Швеции, на острове Руслаген. В одной из каменоломен близ этого селения и был найден знаменитый минерал гадолиний, из которого выделили четыре минерала, получившие название в честь этой шведской деревушки — эрбий, тербий, иттрий и иттербий. О первых трех мы уже говорили. О четвертом трудно сказать что-нибудь кроме того, что свойства его изучены еще далеко не в полной мере.
Лютеций — последний элемент семейства лантаноидов. Впервые его в 1907 году выделил французский химик Т. Урбен, запечатлевший в названии этого металла латинское наименование Парижа. Металлический лютеций не получен до сих пор.
Нет, еще далеко не распутан клубок тайн, скрытых в переплетении этих пятнадцати металлов! Сколько интересных и важных вопросов ждут разрешения!
Металлурги заметили, что добавки редкоземельных металлов — их пестрого сплава — сообщают магниевым и алюминиевым сплавам важнейшие свойства. Какой из добавляемых металлов обладает сильнейшими легирующими свойствами? Может быть завтра один или несколько металлов из семейства редких земель станут такими же важными витаминами крылатых металлов, как вольфрам, хром и никель сегодня важны для получения качественной стали.
Церий — его тоже добавляли в виде пестрого сплава — улучшает свойства сплавов никеля и хрома. Может быть, в редких землях скрываются витамины витаминов?
Добавка 8 процентов церия к алюминиево-медному сплаву делает его кислотоупорным и стойким в воде. А каким будет этот сплав, если в него добавить 8 процентов эрбия или 8 процентов лютеция, ни одной крупинки которого еще не получено в чистом виде?
Клубок тайн еще ждет своих исследователей. Причем не одного, а многих. Одному тут явно не справиться.
Между титаном и вольфрамом
В квадрате, по сторонам которого лежат эти два металла, размещаются четыре металла — цирконий, гафний, тантал и ниобий. Различны их качества, история, вероятно, и будущее. Но есть одно, что их объединяет: их уже начинают использовать, причем перспективы этого использования весьма велики.
Самым легким из этих металлов является цирконий — ближайший сосед блистательного титана. Он был открыт в 1789 году немецким ученым М. Клапротом. Имя свое получил тогда же по минералу циркону. В значительных количествах содержится в земной коре — 0,02 процента по весу. Таким образом, его больше, чем меди, цинка, олова или свинца. Существуют и многочисленные минералы, содержащие цирконий. Но сто пятнадцать лет должно было пройти, чтобы химики смогли впервые выделить чистый металлический цирконий. Он был получен только в 1914 году.
