Детская энциклопедия




Меню сайта




Реклама











Редкие земли

В 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.





 
 
----------------------------------------------------
Календарь
«  Сентябрь 2017  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930

Реклама

  • Новые статьи
    Каталог статей
    Как подготовить ребенка к школе
    Освоение навыков чтения
    Природные материалы на уроках труда

    Статистика






     
    Адрес почты Вопросы по рекомендациям, размещению рекламы и обратных ссылок обращайтесь pochta@enciklopediya1.ru
    2013 © 2017