Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

• Название: О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
• Автор: Сергей Венецкий
• Издательство: Металлургия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1981

В научно-популярной форме автор рассказывает об истории открытия, свойствах и применении важнейших редких (в том числе и рассеянных) металлов.

Книга предназначена для самого широкого круга читателей: студентов, преподавателей, учащихся, специалистов — всех интересующихся историей и развитием металлургии, химии, материаловедения.

---

Отмирающие радиолярии падали на дно моря. Так было положено начало скоплениям одного из редких металлов…»

Добавим, что не только радиолярии, но и другие морские организмы неравнодушны к стронцию: ученые находили спиральные раковины давно вымерших моллюсков, состоящие из целестина. Некоторые из них достигали внушительных размеров — до 40 сантиметров в поперечнике.

В природе имеются довольно крупные так называемые вулканогенно-осадочные месторождения стронция, например в пустынях Калифорнии и Аризоны в США. (Кстати, замечено, что стронций «любит» жаркий климат, поэтому в северных странах он встречается гораздо реже.). В третичную эпоху этот район был ареной бурной вулканической деятельности.

Термальные воды, поднимавшиеся вместе с лавой из земных недр, были богаты стронцием. Расположенные среди вулканов озера накапливали этот элемент, образуя за тысячелетия весьма солидные его запасы.

Есть стронций и в водах Кара-Богаз-Гола. Постоянное испарение вод залива приводит к тому, что концентрация солей непрерывно возрастает и наконец достигает точки насыщения — соли выпадают в осадок. Содержание стронция в этих осадках иногда составляет 1–2 %.

Несколько лет назад геологи обнаружили значительное месторождение целестина в горах Туркмении. Голубые пласты этого ценного минерала залегают на склонах ущелий и глубоких каньонов Куштангтау-горного хребта в юго-западной части Памиро-Алая. Нет сомнения, что туркменский «небесный» камень успешно послужит нашему народному хозяйству.

…Природе не свойственна торопливость: сейчас человек использует запасы стронция, которые она начала создавать миллионы лет назад. Но и сегодня в глубинах земли, в толще морей и океанов происходят сложные химические процессы, возникают скопления ценных элементов, рождаются новые клады, но достанутся они уже не нам, а нашим далеким-далеким потомкам.

НАХОДКА В ЗАБРОШЕННОМ КАРЬЕРЕ (ИТТРИЙ)

Звездный час Аррениуса. — Загадочная примесь. — Урожайные годы. — Почему пожелтела земля? — Запись в биографии. — «Скрытый» становится открытым. — В порядке очереди. — «Трио» Мосандера. — Редкоземельная «лихорадка». Альдебараний и K°. - 15 тысяч кристаллизаций. — Хата с краю. — Почти однофамильцы. — «Жилищная проблема». — Что выяснилось за два столетия? — Лампа зажигается спичкой. — «Окна» ракет. — Прогресс в цветном телевидении. «Витамин» для чугуна. — Редки ли редкоземельные? — В честь Юрия Гагарина.

В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус решил провести летний отпуск в местечке Иттербю, расположенном на одном из многочисленных островков вблизи столицы Швеции Стокгольма. Выбор был сделан не случайно: страстный любитель минералогии, Аррениус знал, что в окрестностях Иттербю есть отслуживший свой век и потому давно заброшенный карьер — он-то и манил молодого офицера, надеявшегося пополнить свою коллекцию минералов. День за днем Аррениус тщательно обследовал все новые и новые участки карьера, но похвастать ему долгое время было нечем. И вот, наконец, пришла удача: найден черный тяжелый камень, похожий на каменный уголь. Такая находка уже чего-то стоила. Радости Аррениуса не было пределов, но мог ли он тогда предположить, что этот невзрачный на вид минерал сыграет огромную роль в истории неорганической химии, а заодно впишет в нее имя своего первооткрывателя?

Отпуск подошел к концу. Вернувшись домой, Аррениус составил описание минерала, дал ему без долгих раздумий название «иттербит» (в честь местечка, где тот был найден) и вновь приступил к несению военной службы. Время от времени он продолжал заниматься минералогическими поисками, но звездный час его был уже позади.

В 1794 году иттербитом заинтересовался финский химик Юхан Гадолин, профессор университета в Або (ныне Турку). И для него черный камень из-под Иттербю оказался счастливым, во многом определив направление дальнейшей научной деятельности этого крупного ученого (в 1811 году он был избран членом-корреспондентом Петербургской академии наук). Гадолин подверг минерал химическому анализу и обнаружил в нем, наряду с окислами железа, кальция, магния и кремния довольно большое количество (38 %) неизвестной примеси, напоминавшей отчасти окись алюминия, отчасти окись кальция. Ученый пришел к выводу, что им открыта окись нового химического элемента, или, как тогда было принято говорить, новая «земля» (так прежде называли тугоплавкие, нерастворимые в воде окислы некоторых элементов).

Спустя три года исследованием иттербита занялся шведский химик Андрес Экеберг, профессор Упсальского университета. Он подтвердил выводы своего финского коллеги с той лишь разницей, что, по его мнению, на долю нового вещества приходилось не 38, а 55,5 %. Экеберг предложил назвать неведомую землю иттриевой, а иттербит переименовать в гадолинит в знак уважения к большим научным заслугам Гадолина — первого исследователя этого минерала.

Интерес ученых к иттриевой земле рос как на дрожжах. Многочисленные исследования, проведенные в разных странах, подтверждали присутствие в гадолините нового элемента (правда, количественные характеристики, как правило, оказывались различными). Но никому из химиков, «бороздивших» вдоль и поперек иттриевую землю, до поры до времени не приходило в голову, что в ней прячется не один, а сразу несколько незнакомцев — окислов неизвестных науке элементов.

Такой же сложной по составу оказалась цериевая земля, открытая в 1803 году. Как выяснилось позднее, в этих двух веществах «проживали» почти все элементы, которые располагаются сегодня в таблице Менделеева под номерами 57–71 и называются лантаноидами, а вместе со своими ближайшими «родственниками» скандием (№ 21) и иттрием (№ 39) образуют семью редкоземельных металлов. Но для того, чтобы разделить эти земли на составные части и открыть все входящие в их состав элементы, ученым потребовалось целое столетие.

Начало XIX века ознаменовалось появлением на свет большого числа новых элементов. В эти годы были открыты палладий и родий, осмий и иридий, калий и натрий, барий и стронций, кальций и магний, литий и кадмий. Эти и другие «новорожденные» приковали к себе внимание химиков, а интерес к иттриевой и цериевой землям заметно упал.

Пожалуй, лишь знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус и его ученики не теряли из вида редкие земли. В 1818 году один из помощников Берцелиуса Шерер обнаружил, что при нагревании иттриевой земли в закрытой склянке бесцветный порошок вдруг приобретал странную желтизну, которая исчезала лишь после того, как процесс повторялся в восстановительной атмосфере. Это навело Шерера на мысль, что в исходном препарате, наряду с окисью иттрия, содержится неизвестный окисел — он-то и наводил желтый «грим» на иттриевую землю. Подобные мысли кое-кто высказывал и раньше, но дальше предположений дело не шло. Шерер тоже не сумел экспериментально подтвердить свою идею.

Прошло несколько лет, и в биографии иттрия появилась новая запись: 1828 год — немецкий ученый Фридрих Велер (кстати сказать, тоже ученик Берцелиуса) впервые получил металлический иттрий. И хотя металл был сильно загрязнен примесями, это событие расценивалось как значительный успех Велера, поскольку выделение любого редкоземельного элемента из химических соединений — по сей день необычайно трудоемкая и сложная задача.

Следующую страницу в историю иттрия (а точнее, в историю всех редкоземельных элементов, ибо их судьбы теснейшим образом переплелись) вписал еще один ученик Берцелиуса — талантливый шведский химик Карл Мосандер. Еще в 1826 году он всерьез увлекся исследованием цериевой земли и вскоре сделал вывод о том, что в ней, как и в иттриевой, может содержаться другой, еще неизвестный окисел. Однако Мосандер не был любителем скоропалительных категорических суждений, а выделить новую землю он тогда не сумел. На какое-то время другие дела отвлекли его от изучения окислов церия, и лишь в конце 30-х годов стрелка компаса научных интересов ученого вновь повернулась в сторону редкоземельного «полюса».

Сначала он повторил свои опыты с цериевой землей и теперь уже сумел доказать, что в ней скрывается окись другого элемента. По предложению Берцелиуса Мосандер назвал его лантаном — по-гречески «скрытый». Лантан действительно долго скрывался под прикрытием церия, но зато впоследствии он не только гостеприимно приютил в своем «доме» всех редкоземельных родственников, но и дал им право именоваться лантаноидами.

Кроме окиси лантана, Мосандер обнаружил в цериевой земле еще одну землю; в дальнейшем выяснилось, что и она имела сложный состав, и из нее в конце концов удалось выделить несколько редкоземельных элементов. Теперь настал черед иттриевой земли. Мосандер помнил о ее «желтых днях» в экспериментах Шерера. Не забыл он и о том, что данные о содержании окиси иттрия в гадолините заметно различались в опытах Гадолина, Экеберга и многих других исследователей, несмотря на сходные методы анализа. Тут было над чем поломать голову, тем более, что даже сам Берцелиус не смог дать этим расхождениям подходящего объяснения. Но с чего начать?