О редких и рассеянных. Рассказы о металлах - Сергей Венецкий

Прежде всего Мосандер постарался получить как можно более чистую окись иттрия. При этом ученый не довольствовался только теми методами, которыми располагала в ту пору наука: специально для своих опытов он разработал новые методы, впоследствии прочно вошедшие в арсенал химии редкоземельных элементов. Для «расщепления» иттриевой земли Мосандер использовал так называемое дробное (или фракционированное) осаждение, в основе которого лежало незначительное различие в растворимости солей редкоземельных элементов в кислотах. Если иттриевая земля представляет собой смесь окислов, то они должны выпадать в осадок не одновременно, а по очереди, обусловленной их разной основностью, а следовательно, и разной растворимостью.

Проходили дни, недели, месяцы. Буквально по каплям добавлял ученый к гидроокиси иттрия оксалат калия, аммиак и другие реактивы. Один скрупулезный опыт сменялся другим. И вот, наконец, в октябре 1843 года Мосандер опубликовал в «Философском журнале» результаты своей работы. Из иттриевой земли ему удалось выделить три окисла: сначала выпадал желтый осадок, затем розоватый и в последнюю очередь — бесцветный. Названия, которые дал Мосандер этим окислам и соответствующим им элементам, как бы символизировали разделение исходной земли, обнаруженной в минерале из-под Иттербю: от начальной части названия этой шведской деревушки «итт» получила свое имя бесцветная окись — иттрия, от «тер» — желтая, ставшая тербией, и от «эрб» — розоватая, именовавшаяся отныне эрбией.

Но на этом ставить точку было еще рано: вокруг «трио» Мосандера развернулась оживленная полемика, в которой участвовали многие крупные химики. Одни сомневались в существовании вновь открытых земель, другие, напротив, утверждали, что эти земли в свою очередь должны быть разделены на самостоятельные «территории», принадлежащие неизвестным пока элементам. Истина лежала между этими крайними точками зрения: эрбиевая земля действительно оказалась смесью окислов. В 1878 году швейцарский химик Жан Мариньяк разделил ее на две части — эрбию и иттербию (названную в честь все той же шведской деревушки). Но, как вскоре выяснилось, каждая из этих земель была… тоже смесью окислов.

Дробление земель продолжалось, семья редкоземельных элементов пополнялась новыми членами. В те годы интерес к редким землям резко возрос. Немалую роль сыграл в этом разработанный в 1860 году немецкими учеными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом спектральный метод анализа, значительно расширивший возможности проникновения в тайны вещества.

Подобно тому как во времена золотых лихорадок тысячи любителей наживы устремлялись в Калифорнию и Клондайк, в последней четверти прошлого века на берега архипелага редких земель высадился многочисленный десант ученых искателей химических кладов. Открытия новых редкоземельных металлов посыпались как из рога изобилия, но, увы, подавляющему большинству из них (а всего их оказалось свыше ста) не хватало требуемых «документов» для постоянной прописки в таблице элементов. Зато какие красивые имена давались новорожденным их счастливыми «родителями»: филиппий и деципий, демоний и метацерий, дамарий и люций, космий и неокосмий, глаукодим и викторий, эвксений и каролиний, инкогнитий и кассиопей и даже альдебараний. Теперь эти звучные названия можно найти лишь в списках ложнооткрытых химических элементов…

Но, разумеется, были и удачи. Из эрбиевой земли, наряду с самим эрбием, были получены тулий, гольмий и диспрозий, а из иттербиевой земли, кроме иттербия, еще скандий и лютеций. Характерная деталь: для выделения лютеция французскому химику Жоржу Урбену пришлось выполнить более 15 тысяч кристаллизаций. Так неохотно природа раскрывала науке свои секреты. Интересно, что лютеций оказался последним редкоземельным элементом как по времени открытия (он «вошел в строй» в 1907 году), так и по положению в ряду лантаноидов. Если вы посмотрите на таблицу элементов, то увидите, что лютеций вполне резонно может заявить: «Моя хата с краю».

Итак, все редкоземельные металлы открыты. Подведем некоторые итоги. Крохотное шведское селение Иттербю, где когда-то Аррениус нашел черный камень, дало имена четырем химическим элементам — иттрию, тербию, эрбию и иттербию. Ни один материк, ни одно государство, ни одна столица не удостоились такой чести. Стал своеобразным рекордсменом и черный минерал гадолинит (иттербит): он оказался «камерой хранения» чуть ли не десятка новых элементов, которые были извлечены из иттриевой земли, впервые обнаруженной в иттербите.

Иттрий и другие редкоземельные металлы доставили немало хлопот Д. И. Менделееву, когда тот выписывал «ордера» для заселения построенной им периодической таблицы. К моменту открытия важнейшего закона химии науке были известны шесть редкоземельных элементов. Подобрать для каждого из них подходящее место в таблице оказалось весьма сложно из-за их удивительного химического сходства, а поскольку с годами число их росло, то и забот прибавлялось. Прошло не одно десятилетие, прежде чем удалось окончательно решить «жилищную проблему» для членов редкоземельного семейства. Оказалось, что иттрию, с которого началась история редких земель, необходимо предоставить отдельную «квартиру». Такие же льготы получил скандий, а все остальные редкоземельные элементы, как уже говорилось, были размещены в «многокомнатной квартире», и лантан был назначен «ответственным съемщиком». И хотя часть лантаноидов относится к иттриевой группе (другая часть-к цериевой), иттрий разлучен с ними в таблице элементов.

С конца XVIII века, когда был открыт иттрий, до наших дней прошло чуть ли не два столетия. Казалось бы, за это время можно было досконально изучить элемент и узнать все его физические характеристики. Тем не менее до сих пор сведения о плотности, температурах плавления и кипения и некоторых других параметрах иттрия, приведенные в разных справочниках, не всегда совпадают. Причина тому одна: неодинаковая степень чистоты металла, достигнутая различными исследователями. Сейчас переплавом в вакууме с последующей двух- и трехкратной дистилляцией получают иттрий чистотой 99,8-99,9 %. Такой металл плавится примерно при 1500 °C, а его плотность составляет 4,47 г/см3. Сочетание сравнительно высокой температуры плавления с небольшой плотностью, неплохими прочностными данными и другими ценными свойствами делают иттрий перспективным конструкционным материалом. Так, из него уже изготовляют трубопроводы для транспортирования жидкого ядерного горючего — расплавленного урана или плутония. Но пока элемент № 39 чаще пробует свои силы в других областях.

Еще в конце прошлого века, ознаменовавшемся электрическим бумом, немецкий физик Вальтер Нернст создал необычную лампу накаливания: вместо угольной или металлической нити, помещенной в вакуум или инертный газ, она имела открытый стерженек из смеси окислов циркония и иттрия. Идея ученого основывалась на том, что некоторые кристаллические соединения — так называемые твердые электролиты — проводят ток в результате движения ионов, а не электронов. Лампу Нернста приходилось зажигать спичкой, так как керамический стерженек начинал проводить ток лишь при 800 °C. По этой причине лампа не нашла тогда спроса, однако подобные нагревательные элементы широко применяются в современной технике для создания высоких температур (окись иттрия заменена в них окисью кальция). В отличие от металлических, такие нагреватели не только не окисляются на воздухе, но и, напротив, работают тем лучше, чем выше окислительная способность среды.

Сегодня из окиси иттрия очень высокой чистоты изготовляют иттриевые ферриты, используемые в радиотехнике и электронике, в слуховых приборах и ячейках памяти счетно-решающих устройств. Бориды, сульфиды и окислы иттрия служат материалом катодов мощных генераторных установок, жаропрочных тиглей для плавления тугоплавких металлов. Несколько лет назад создан новый жаропрочный материал циттрит, представляющий собой циркониевую керамику с добавками иттрия; циттрит обладает минимальной теплопроводностью и сохраняет свои свойства до 2200 °C. Разработан и другой керамический материал иттрийлокс, плавящийся при 2204 °C. Этот материал (твердый раствор двуокиси тория в окиси иттрия) для видимой части спектра прозрачен, как стекло, и, кроме того, хорошо пропускает инфракрасные лучи. Из него можно изготовлять инфракрасные «окна» специальной аппаратуры и ракет, смотровые глазки высокотемпературных печей.

Иттрий внес свою лепту и в развитие цветного телевидения: кинескопы с красными люминофорами на основе его соединений характеризуются высокой яркостью свечения. В Японии для этой цели применяют окись иттрия, активированную европием; специалисты других стран отдают предпочтение ортованадату иттрия. По японским данным, на миллион трубок расходуется примерно 5 тонн чистой окиси иттрия.