Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 35)

Немалая доля соединений лантана применяется для изготовления стёкол. В течение долгого времени для увеличения коэффициента преломления стекла использовали оксид свинца. Увеличение коэффициента преломления означает, что свет медленнее распространяется в прозрачной среде и меняет направление распространения, попадая из воздуха в стекло, однако в свинецсодержащих стёклах увеличению преломления сопутствует рассеяние света – оптика из свинцовых стекол может быть мутной, что, очевидно, нехорошо. Лантановые стёкла отличаются столь же высоким показателем преломления, как и свинцовые, но меньшим светорассеянием (не говоря уже про то, что замена токсичного свинца на лантан делает процесс стекловарения менее опасным для тех, кто занят при производстве стекла). Стёкла повышенной прозрачности, которые производят, используя оксид лантана, применяются в камерах, смартфонах и профессиональных телескопах. Карбонат лантана может применяться и как лекарство при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов в организме, и для борьбы с фосфатами в водах бассейнов – фосфаты представляют собой хорошие удобрения для сине-зелёных водорослей, и, если не удалить эти анионы из бассейна, он «зацветёт». Ещё одно интересное свойство солей лантана, связанное с изменением цветов, – цветная реакция ацетата лантана с йодом, при которой обработанный йодом гель ацетата лантана приобретает тёмно-синий цвет, характерный для йодкрахмальной пробы.

Лантан может быть полезен не только для того, чтобы расширить наши представления о пространстве, глядя в телескоп, но и для расширений наших представлений о времени – он используется в радиоизотопной датировке. Самый известный способ радиодатировки – радиоуглеродный анализ, который проводят с помощью измерения содержания в материале радиоактивного ¹⁴С по отношению к стабильным изотопам углерода. Этот метод был предложен лауреатом Нобелевской премии по химии 1960 года Уиллардом Либби в 1946 году. Период полураспада углерода-14 составляет примерно 5700 лет, и где-то через 60 000 лет после прекращения в образце углеродного обмена количество радиоактивного углерода в нём становится столь мало, что заглянуть в прошлое глубже, чем на шестьдесят тысяч лет, с помощью радиоуглеродного анализа невозможно. Тем более невозможно применять радиоуглеродную датировку для образцов неорганического происхождения, например, керамики или скальных пород.

В геологии применяется лантан-бариевая датировка. Она основана на том, что радиоактивный нуклид ¹³⁸La отличается огромным периодом полураспада – 1,02·10¹⁰ лет, образуя при распаде нуклид ¹³⁸Вa, таким образом, измерение соотношений лантана и бария позволяет определить возраст гранита или базальта. Правда, при таком периоде полураспада лантана точность датировки весьма специфична – в одной из статей, посвящённой применению лантан-бариевой датировки, написано, что возраст горной породы был определён с высокой точностью, составлявшей плюс-минус 3,7 миллиона лет.

58. Церий

Первым открытым лантаноидом был церий, и, как это часто бывало до появления Периодического закона, его открытие было случайным.

Где-то в начале 1800-х годов молодой шведский геолог Вильгельм Хизингер, пополняя коллекцию минералов в поместье своего отца, обнаружил камень, который поразил его неожиданно высокой плотностью. Надеясь, что он обнаружил руду недавно открытого вольфрама, Хизингер направил образец породы Карлу Вильгельму Шееле, который проделал анализы и разочаровал молодого ученого, сказав, что вольфрама в камне нет. Хизингера ответ не устроил, и он продолжил изучать руду совместно с Йёнсом Якобом Берцелиусом. В 1803 году шведские исследователи выделили из образца нерастворимый оксид нового элемента, обладающего металлическими свойствами. Примерно в то же время немецкий аналитик Мартин Клапрот выделил этот же оксид из другого скандинавского минерала. Сообщения Берцелиуса—Хизингера и Клапрота об открытии нового элемента были опубликованы в одном и том же журнале с интервалом в месяц, что, естественно, породило споры о том, кто же на самом деле был первооткрывателем. Элемент решили назвать в честь самой крупной из малых планет – Цереры, в свою очередь получившей имя в честь римской богини плодородия. Клапрот настаивал на названии «церерий», но Берцелиус и ряд примкнувших к нему коллег справедливо заметили, что кому-то, кроме немцев, такое название будет даваться не без труда, и металл стал церием. Металлический церий удалось получить только в 1870-е годы электролизом его расплавленного хлорида.

Сам по себе металлический церий, как и много других металлов, совершенно невзрачен на вид – обычный серебристо-серый металл, который тускнеет на воздухе из-за окисления и образования оксидной плёнки. Более интересен этот металл, измельчённый в порошок, – в особенности порошкообразный сплав церия с железом. Этот материал при ударе или трении разбрасывает во все стороны сноп искр, что и позволяет делать из него кремни для зажигалок или искрящие кухонные ножи для телешоу. Чем это можно объяснить? Церий очень электроположительный металл, который легко отдаёт свои электроны, и при образовании оксида церия (СеО₂) выделяется много энергии, которая и отвечает за появление искр. Оксид церия очень твёрдый – часто его добавляют в искусственный гранит или искусственную каменную облицовку, а абразив на основе оксида церия – политирит – идеален для шлифовки стекла для зеркал или оптических устройств. Оксид тоже ведёт себя не совсем обычно – хотя его называют оксидом церия(IV) и он должен соответствовать формуле CeO₂, в реальности в среднем на один атом церия в этом оксиде приходится немного меньше чем два атома кислорода – поверхность оксида покрыта многочисленными дефектами, в которых атом кислорода должен был находиться, но на самом деле его нет. Такой «неправильный» оксид церия применяется в каталитических конверторах легковых и грузовых автомобилей. Проволочная сетка с нанесённым на неё оксидом церия отдаёт свой кислород, окисляя углеводородное топливо во время обеднённой кислородом фазы работы двигателя и пополняет свои кислородные запасы, когда с ней контактирует богатая кислородом топливно-воздушная смесь. Нанопорошок оксида церия, смешанный с дизельным топливом, позволяет добиться более полного сгорания тяжёлых нефтяных фракций и избавить автобусы и грузовые автомобили от их вечных спутников – шлейфов сажи, вырывающихся из выхлопной трубы. Церий находит применение и в медицине – соли этого элемента могут предотвратить симптомы «морской болезни».

59, 60. Празеодим и Неодим

В наше время в Периодической системе нет элемента с названием «дидим» (Di, didymium), однако этот термин применялся и в те дни, когда Менделеев ранжировал химические элементы, и в наши дни это название, как и символ Di, можно найти в статьях, посвящённых химии редкоземельных элементов, – под видом элемента-дидима почти полвека скрывалась смесь двух химических элементов – неодима и празеодима.

Конечно, все элементы, относящиеся к группе лантаноидов, очень сложно отделить друг от друга – даёт знать колоссальная близость их химических и физических свойств (недаром в предыдущих главах упоминался «мишметалл» – техническая смесь этих элементов, которую нет смысла разделить), но даже среди лантаноидов неодим и празеодим оказались «двоими из ларца, одинаковыми с лица».

В 1839 году Карл Густав Мосандер – шведский врач и химик – заявил об открытии нового химического элемента. По забавной иронии судьбы он назвал это элемент «дидимом» – от греческого слова «близнец». Мосандер не предполагал, насколько точно его предложение отражает суть того, что он считает индивидуальным химическим элементом – он просто отметил уникальное, на его взгляд, сходство свойств нового «элемента» с лантаном, что и отразил в названии. То, что название отражает суть открытия и элемент дидим на самом деле – смесь двух элементов-близнецов, стало ясно позднее, когда об индивидуальности элементов и веществ стали говорить, опираясь не только на их физические и химические свойства, но и на появившийся в результате совместной работы Бунзена и Кирхгофа метод спектроскопии. Выше, характеризуя метод спектроскопии, я уже упоминал о том, что для каждого элемента его спектральный «штрихкод» уникален и неповторим, но при этом не меняется в зависимости от происхождения образца элемента. Почти сразу же после того, как Кирхгоф и Бунзен осознали, какие возможности им дает спектроскоп в открытии новых элементов, они же поняли, что с помощью спектроскопии можно установить, насколько чист тот или иной образец.

В 1870-х годах Бунзен заметил, что спектры образцов соединений дидима, полученных из различных источников, различались, и на основании этого предположил, что дидим представляет собой смесь элементов. Решить эту задачу он предложил своему ученику – австрийскому химику Карлу Ауэру фон Вельсбаху. После сотен дробных перегонок в 1885 году фон Вельсбаху удалось выделить из дидима два производных разных химических элементов. Один из элементов, соли которого были окрашены в зелёный цвет, получил название празеодим – «зелёный близнец», второй был назван неодимом – «новым близнецом».