Путешествие в Страну элементов

Конечно, все новые металлы пока еще очень дорогие. Поэтому их приходится «разбавлять» обычными, более дешевыми.

Вместе с никелем, кобальтом, хромом, молибденом, вольфрамом, титаном, бором, алюминием новые металлы дают прекрасные сплавы с широким выбором свойств.

Мы начали свой разговор с того, что стали искать замену железу. Нужна ли такая замена? Теперь мы можем ответить на этот вопрос. Да, иногда такая замена не только необходима, но и возможна. И каждый металл, каждый сплав, каждый новый материал может и должен найти себе применение. Будущее принадлежит разумному сочетанию всех материалов.

Удивительное семейство

Найдем в периодической системе элемент лантан. Он расположен в шестом периоде, третьей группе и имеет порядковый номер 57.

Читатель уже привык к тому, что каждому элементу соответствует лишь одна определенная клетка таблицы Менделеева. Однако теперь мы сталкиваемся с необычным явлением: в одной-единственной клетке лантана разместилось еще четырнадцать элементов — от церия с порядковым номером 58 до лютеция с порядковым номером 71.

Почему же церий нельзя поместить в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее? Тогда у каждого элемента будет своя клетка.

Мысль эта не оригинальна. Дмитрий Иванович Менделеев пытался идти этим путем, но вскоре убедился, что подобный способ размещения противоречит закону периодичности. Допустим, церий еще можно расположить в четвертой группе — ведь он в некоторых соединениях проявляет валентность, равную четырем, и кое в чем похож на цирконий. Но последующие элементы совсем не напоминают ниобий, молибден и т. д.

Для всех заключенных в клетке лантана элементов валентность 3+ является основной. Следовательно, расположить их один за другим — значит нарушить периодичность изменения свойств по группам таблицы Менделеева.

Поистине удивительное семейство элементов поселилось в клетке лантана. Понятие «семейство» химики в отличие от ботаников не любят употреблять. Но для характеристики элементов, о которых пойдет речь, это название как нельзя более удобно. Они действительно представляют собой неразлучную и дружную семью. В природе они встречаются в одних и тех же минералах и рудах, все они — металлы, обладают удивительно сходными химическими свойствами и даже на практике, как правило, используются совместно — в качестве смеси, а не индивидуальных представителей. Другой подобной картины не встретишь нигде на всем протяжении периодической таблицы.

Ученым потребовалось много десятилетий, чтобы объяснить поразительную близость свойств этих металлов.

Теперь элементы от церия до лютеция называют лантаноидами, то есть лантаноподобными. В учебниках их рассматривают вместе с лантаном. Другое имя пятнадцати близнецов — редкоземельные элементы. Оно происходит от старинного названия «редкие земли». «Землями» ученые прошлого именовали некоторые окислы, например окиси кальция, магния и бария. Редкоземельные элементы долгое время были известны в виде окислов — «земель». А так как считали, что содержащие их минералы в природе распространены очень мало, «землям» прибавили эпитет «редкие».

Итак, редкие земли. Они ставили перед учеными массу головоломных задач. Их история, пожалуй, наиболее сложная и запутанная во всей неорганической химии.

Загадка редких земель

В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус, увлекавшийся минералогией, обнаружил в заброшенном карьере близ городка Иттерби неизвестный черный минерал. Спустя семь лет образчик находки попал в руки известного финского химика Иоанна Гадолина. Ученый установил, что в образце наряду с окислами бериллия, кремния и железа содержится около 38 процентов окиси неизвестного элемента, «новой земли». Он дал ей название «иттриевой». В 1803 году великий шведский химик Берцелиус в другом минерале нашел вторую редкую землю — «цериевую».

Два новых представителя — иттрий и церий — дополнили список элементов. Долгое время они не вызывали особого интереса — вплоть до 1839 года, когда ученик Берцелиуса Мозандер начал обширные исследования этих земель.

И тут обнаруживаются удивительные вещи. Оказывается, церий и иттрий, которые считались простыми телами, являются смесью нескольких элементов. Мозандер разделяет церий на лантан и дидим, иттрий — на тербий и эрбий. Все они похожи друг на друга как две капли воды. История открытия элементов еще не знала подобного случая, и ученые насторожились: нет ли здесь ошибки?

Но ответить на вопрос оказалось непросто. Химики не располагали достаточно точными методами контроля за чистотой выделяемых земель. Никто из исследователей не мог с уверенностью утверждать, что полученная им редкая земля на самом деле не содержит примесей. Сомнение прочно овладело умами, и разрешиться ему было суждено лишь после того, как Бунзен и Кирхгоф разработали основы и технику спектрального анализа.