Александр Круглов – Редкие металлы и элементы, которые всем так нужны (страница 3)
Забавно, но «элемент» дидим Мосандера оказался «обманщиком», просуществовавшим в таблице Менделеева несколько десятилетий под символом Di. Лишь через пятнадцать лет после смерти Мосандера, в 1885 году, австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах сумел разделить дидим на два настоящих элемента: празеодим («зелёный близнец») и неодим («новый близнец»). Эта ошибка Мосандера, впрочем, не умаляет его заслуг – он открыл три подлинных элемента и был одним из выдающихся ученых эпохи, а сама история с дидимом лишь подчёркивает невероятную сложность работы с редкоземельными элементами при помощи инструментов XIX века. Интересно, что смесь празеодима и неодима, сохранившая название «дидим», нашла практическое применение: её добавляли в стекла очков для кузнецов, чтобы блокировать интенсивные вспышки света, а во время Первой мировой войны использовали для создания фильтров для невидимой передачи сигналов азбукой Морзе.
Ключевым инструментом в этой «охоте за элементами» стал спектроскоп. Это относительно простое устройство, по сути, трубка с призмой внутри, позволяло учёным делать поразительные открытия. Нагревая образец минерала до свечения, они пропускали испускаемый свет через призму и наблюдали уникальный набор цветных линий – своего рода «отпечаток пальца» каждого элемента. Водород давал четыре линии, индий – две, железо – десятки. Если наблюдаемый спектр не совпадал ни с одним из известных, исследователь мог объявить об открытии нового элемента. Конечно, метод не был foolproof: смеси элементов давали сложные, наложенные спектры, которые легко было принять за новый элемент, как и случилось с дидимом. Требовалась высочайшая чистота образцов и тщательность анализа, что было непросто достичь в те времена.
Дальнейшая «расшифровка» редких земель стала делом нескольких поколений европейских химиков. Швед Пер Теодор Клеве выделил гольмий (назван в честь Стокгольма) и тулий (в честь мифической Туле – древнего названия Скандинавии) в 1879 году. В том же году Ларс Фредерик Нильсон открыл скандий, предсказанный Менделеевым как «экабор». Француз Поль Эмиль Лекок де Буабодран, мастер спектроскопии, открыл самарий (1879, назван в честь русского горного инженера В. Е. Самарского-Быховца, предоставившего минерал самарскит) и гадолиний (1886, в честь Гадолина), а также подтвердил открытие диспрозия («труднодоступный», 1886). Швейцарец Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил иттербий (1878) из эрбиевой земли. Австриец Карл Ауэр фон Вельсбах, помимо «разделения» дидима, в 1907 году разделил иттербий Мариньяка на собственно иттербий и лютеций (назван в честь Лютеции – древнего названия Парижа), завершив, таким образом, открытие всех стабильных редкоземельных элементов. Весь этот процесс занял более ста лет кропотливой работы!
Параллельно с редкими землями, XIX век принёс открытие и других металлов, играющих сегодня важную роль. Были окончательно идентифицированы и выделены металлы платиновой группы. Хотя платина была известна европейцам с XVI века (испанцы в Южной Америке презрительно называли её
Были открыты и многие тугоплавкие металлы. Швед Карл Вильгельм Шееле ещё в 1781 году выделил оксид вольфрама, а испанские братья д’Элуяр получили чистый металл двумя годами позже. Молибден был открыт шведом Карлом Шееле в 1778 году. Ниобий и тантал имели запутанную историю открытия из-за их сильного химического сходства, но были окончательно «разведены» в середине XIX века. Рений, один из последних открытых стабильных элементов, был идентифицирован немецкими химиками Идой Ноддак, Вальтером Ноддаком и Отто Бергом в 1925 году.
Также XIX век стал временем открытия многих рассеянных элементов. Индий был обнаружен немецкими химиками Фердинандом Райхом и Иеронимусом Рихтером в 1863 году с помощью спектроскопа (яркая индиговая линия в спектре цинковой обманки дала название элементу). Галлий был открыт французом Лекоком де Буабодраном в 1875 году и стал триумфом предсказательной силы таблицы Менделеева (он был предсказан как «экаалюминий»). Германий, предсказанный Менделеевым как «экасилиций», был открыт немцем Клеменсом Винклером в 1886 году.
Весь этот калейдоскоп открытий нуждался в систематизации. Попытки классифицировать элементы предпринимались и ранее (триады Дёберейнера, спираль де Шанкуртуа, октавы Ньюлендса, таблица Мейера), но именно Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году предложил наиболее удачную и прогностически мощную систему – Периодическую таблицу элементов. Расположив известные на тот момент 63 элемента в порядке возрастания атомного веса (позже было установлено, что фундаментальным параметром является заряд ядра), Менделеев обнаружил периодическое повторение химических свойств. Гениальность его подхода заключалась не только в систематизации известных фактов, но и в смелости оставить пустые клетки для ещё не открытых элементов и предсказать их свойства на основе положения в таблице. Успешное открытие галлия, скандия и германия, чьи свойства точно совпали с предсказанными Менделеевым «экаалюминием», «экабором» и «экасилицием», стало триумфом периодического закона и мощнейшим стимулом для дальнейших поисков.
Открытие благородных газов (аргон, неон, криптон, ксенон) Уильямом Рамзаем в конце XIX века потребовало добавления новой, нулевой группы в таблицу. А открытие радиоактивности Беккерелем и супругами Кюри и последующее выделение полония и радия положили начало изучению целого мира радиоактивных элементов, включая актиноиды. Расшифровка сложной группы редкоземельных элементов также нашла своё логическое место в структуре таблицы, пусть и с вынесением лантаноидов в отдельный ряд.
К началу XX века периодическая таблица приняла в целом современный вид, став не просто каталогом, но мощнейшим инструментом для понимания химии, предсказания свойств и целенаправленного поиска новых материалов. Век открытий заложил фундамент, на котором в следующем столетии вырастут новые отрасли промышленности, основанные на использовании уникальных свойств тех самых «редких» и «рассеянных» элементов, за которыми так азартно охотились химики XIX века. Их любознательность и кропотливый труд подготовили почву для грядущего века редких металлов.
Синтез и гонка вооружений: Покорение нижних строк таблицы
К началу XX века большая часть стабильных химических элементов была открыта, и Периодическая таблица Менделеева казалась почти завершённой. Однако два революционных прорыва – открытие радиоактивности и развитие ядерной физики – распахнули дверь в совершенно новую, ранее невообразимую область: мир трансурановых, искусственно синтезированных элементов. Это уже была не «охота» за элементами, скрытыми в минералах, а их
Открытие Анри Беккерелем в 1896 году самопроизвольного излучения солей урана, а затем выделение Мари и Пьером Кюри ещё более активных полония и радия из урановой смолки, перевернуло представления о незыблемости атома. Стало ясно, что некоторые элементы нестабильны и способны самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом энергию и частицы (альфа-, бета- и гамма-излучение). Началась эра изучения радиоактивности. Вскоре были открыты естественные радиоактивные ряды, показывающие, как тяжёлые элементы вроде урана и тория через цепочку распадов постепенно превращаются в стабильный свинец. Был открыт актиний и другие члены естественных радиоактивных семейств.
Однако настоящий прорыв в понимании и использовании ядерных процессов произошёл в 1930-х годах. Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком (1932) и последующие эксперименты Энрико Ферми по бомбардировке урана нейтронами, приведшие к открытию ядерного деления Отто Ганом и Фрицем Штрассманом (1938) и его теоретическому обоснованию Лизой Мейтнер и Отто Фришем (1939), заложили основы для создания как ядерных реакторов, так и ядерного оружия. Стало ясно, что атомное ядро можно не только наблюдать в его естественном распаде, но и целенаправленно изменять, расщеплять и даже создавать новые, не существующие в природе элементы.
Открытие деления урана и последующее создание атомной бомбы в рамках Манхэттенского проекта продемонстрировали как разрушительную, так и созидательную (в перспективе – ядерная энергетика) мощь, скрытую в ядре атома. Послевоенное противостояние между США и СССР превратило науку о ядре в арену ожесточённой конкуренции. Изначально главной целью было найти или создать новые делящиеся материалы, возможно, более мощные или доступные, чем уран и плутоний, для создания супероружия. Исследовательские центры, такие как Радиационная лаборатория Лоуренса Беркли в США и Лаборатория ядерных реакций им. Г.Н. Флёрова2в Дубне под Москвой, получили колоссальное финансирование и стали флагманами этой гонки.