Путешествие в Страну элементов

Объяснить неожиданные отклонения оказалось не так-то просто. И сначала химики пытались использовать это явление на практике. Свойства лантаноидов в четырех или двухвалентном состоянии довольно резко отличаются от обычного трехвалентного. Появилась мысль применить такое различие в свойствах для разделения редкоземельных элементов. Теперь на этом основано несколько эффективных способов выделения отдельных металлов.

Разгадку аномальным валентностям дал немецкий химик В. Клемм. Он предположил, что 4f-оболочка заполняется в два приема, от La до Gd и от ТЬ до Lu, — словом, она как бы имеет два подуровня по семь электронов. Структуры ионов La³⁺ и Lu³⁺, Gd ³⁺ являются особенно прочными, и ионы других лантаноидов как бы стремятся приобрести такие структуры. Празеодим и тербий пытаются достичь их путем сбрасывания еще одного, сверх трех, электрона; самарий, европий и иттербий, наоборот, стараются попридержать валентные электроны. В обоих случаях результатом оказывается появление аномальной валентности.

Снова своеобразие…

На Всемирной выставке 1900 года в Париже демонстрировались в качестве экспонатов… очень чистые окислы некоторых редкоземельных элементов. Это было крупное достижение неорганической химии.

Но на вопрос, где такие окислы находят практическое применение, услужливые гиды могли дать однозначный ответ: «Только в колпачках газовых горелок!» Люди старшего поколения еще помнят так называемые ауэровские колпачки. Немецкий химик Ауэр фон Вельсбах показал, что добавка всего лишь 1 процента двуокиси церия к материалам газокалильных колпачков во много раз повышает яркость их свечения.

Мертвенный свет газового освещения был первой зарницей в области применения редкоземельных элементов. В наши дни немногие из встречающихся в природе элементов отличаются столь же обширным диапазоном использования, как лантан и лантаноиды.

Начать хотя бы с металлургии.

Качество сталей и чугуна сильно зависит от присутствия кислорода, фосфора, азота, серы. Это вредные примеси: они увеличивают хрупкость и ломкость, понижают износоустойчивость металлических изделий. Такие примеси следует всячески удалять, и тут неоценимую помощь оказывают редкоземельные элементы, которые взаимодействуют с неметаллами. В нагретом состоянии они поглощают многие примеси, тем самым значительно улучшая качества сталей и чугунов.

Лантаноиды применяются для легирования различных сталей и придания им многих ценных свойств: повышаются ковкость, жаропрочность и сопротивление коррозии.

Широко используются редкоземельные элементы, главным образом церий, в производстве пирофорных сплавов. Они применяются в кремнях для зажигалок, различных воспламеняющих устройствах, трассирующих пулях и снарядах.

Многим известна реакция алюмотермии — восстановление окислов различных металлов с помощью алюминиевого порошка. Церий и его спутники — еще более энергичные восстановители, чем алюминий. Открываются интересные перспективы получения достаточно чистых ниобия, циркония, кобальта, никеля, хрома, марганца, иттрия, вольфрама, урана методами лантаноидотермии.

Редкоземельные элементы резко улучшают качества различных металлов и сплавов. Так, магниевые сплавы при всех своих достоинствах имеют один существенный недостаток: могут «работать» при температурах не выше 150 градусов. Добавки церия, неодима и празеодима повышают температурный предел на целых 100 градусов.

Всего лишь 0,2 процента церия значительно улучшают механические свойства меди. Введение 2 процентов редкоземельных металлов в никелевые и кобальтовые сплавы повышает их жаропрочность и сопротивление окислению при высоких температурах.

Сплав магния с гадолинием отличается уникальными магнитными характеристиками. Он очень легко и сильно намагничивается.

Незаменимыми помощниками стали редкоземельные элементы и в химической промышленности. Они применяются как катализаторы или промоторы (добавки к катализаторам, улучшающие их действие).

Окись празеодима способствует окислению аммиака при низких температурах. Присутствие ионов церия ускоряет электрохимическое окисление анилина в хинон. Сульфаты многих лантаноидов — неплохие катализаторы при окислении SO₂ в SO₃.

Добавки окиси лантана к катализатору MgO+SiO₂ почти вдвое увеличивают выход ценного октана при крекинге газойля.

Редкоземельные элементы применяются для производства лаков и красок, главным образом красок по фарфору. Окислы и соединения лантаноидов придают им разнообразнейшие цветовые оттенки. Некоторые соли церия в малых количествах способствуют быстрому высыханию лаков и сохранению прозрачности на длительный период.

Обращаясь к производству стекол, керамических и абразивных материалов, мы снова становимся свидетелями активного проникновения редкоземельных элементов.