Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 40)

Ну и, наконец, тулий помог выиграть Нобелевскую премию по химии. В 1914 году первый образец чистого металлического тулия получил американский химик Теодор Уильям Ричардс, для этого он получил сверхчистый образец бромата тулия, проведя пятнадцать тысяч экспериментов по перекристаллизации. Такая высокая чистота соли тулия потребовалась Ричардсу для уточнения молекулярной массы этого металла (Ричардс получил величину 168,93421 а.е.м.). Конечно, Нобелевским лауреатом стал не из-за рекордного количества перекристаллизаций и не за высокочистый тулий, а за то, что его атомная масса была лишь одной из многих, измеренных или уточнённых Ричардсом. Нобелевскую премию ученый получил «…за точное определение атомных масс большого числа химических элементов…», если точнее – Ричардс и его ученики определили и уточнили атомные массы 55 химических элементов, многие из полученных ими значений до сих приводятся в Периодической системе.

70. Иттербий

В опубликованной в 1971 году книге для учителей химии и изучающих её «Понимая химию», написанной Джоджем Пиментелом, написано: «У лантана одна устойчивая степень окисления в водных растворах, +3. За небольшим рядом исключений, это все, что можно рассказать о скучной химии остальных 14 элементов». Действительно, наиболее распространённой степенью окисления лантаноидов является +3, однако иттербий как раз относится к тем исключениям, о которых говорится в книге. Иттербий в соединениях может принимать степень окисления +2, его соединения являются сильными восстановителями, этот металл может реагировать с водой с выделением водорода.

Иттербий – последний из четырёх элементов, названных в честь Иттербю и выделенный из иттербита. Его в 1878 году обнаружил швейцарский химик Жан де Мариньяк, работая с солями эрбия. Де Мариньяк заметил, что при разложении того, что он считал нитратом эрбия, образуется два оксида – красный оксид эрбия и белый порошкообразный оксид нового элемента, который был назван иттербием. Конечно, де Мариньяк выделил не чистый оксид иттербия, очищенная форма была получена позже, в 1907 году.

Несмотря на то что иттербий был открыт одним из последних лантаноидов, он является одним из самых распространённых элементов этого семейства. Он находится на сорок третьем месте по распространённости в земной коре, и его содержание больше, чем олова, брома, урана или мышьяка. Металлический иттербий – хрупкий и ковкий металл, который быстро тускнеет на воздухе из-за реакции с компонентами воздуха и водой, – иттербий более реакционноспособен, чем остальные лантаноиды. В земной коре имеется семь устойчивых изотопов с атомными массами от 168 до 176, кроме этого, известно несколько радиоактивных изотопов иттербия, из которых наибольшее практическое значение имеет излучающий гамма-лучи нуклид ¹⁶⁹Yb. Этот радиоизотоп применяется в портативных переносных рентгеновских аппаратах, для работы которых к тому же не нужно электрическое питание. Другой нуклид – ¹⁷⁴Yb – рассматривается как потенциально полезный для изготовления высокоточных атомных часов. Атомные часы с этим изотопом иттербия могут быть точнее, чем цезиевые атомные часы, убегая или отставая на секунду за 100 миллионов лет.

Как и все лантаноиды, иттербий в большинстве своих соединений существует в виде иона Yb³⁺. Тот самый оксид иттербия, благодаря которому его обнаружил де Мариньяк (Yb₂O₃), применяется для изготовления специальных сортов стекла и керамики. Некоторые материалы, одновременно легированные иттербием и эрбием, могут преобразовывать невидимое человеческому глазу инфракрасное излучение в красный или зелёный цвет. Такие материалы-люминофоры в перспективе могут заменить европиевые или тербиевые люминофорные красители, с помощью которых защищают от подделки документы и денежные знаки. Для такой защиты чтобы установить подлинность купюры, её нужно будет освещать не ультрафиолетом, а инфракрасными лучами, под действием которых «тайные чернила» с иттербием будут светиться красным или зелёным.

Производные иттербия также проявляют люминесценцию в ближнем ИК-диапазоне (длина волны около 980 нм), их рассматривают как альтернативу существующим биологическим люминесцентным меткам, излучающим в видимой области. Это объясняется тем, что, хотя инфракрасное излучение и не воспринимается зрением человека, наши ткани более прозрачны для ИК-лучей, что, в свою очередь, позволит применить ИК-визуализацию для того, чтобы заглянуть в ткань поглубже и раскрыть медикам или биологам более детальную информацию о протекании определённого биохимического процесса.

Ещё одна особенность иттербия в том, что его соединения – более эффективные катализаторы, чем аналогичные по структуре производные других лантаноидов. Соли иттербия катализируют целый ряд полезных трансформаций органических веществ, и всё более востребованы химической промышленностью.

71. Лютеций

Лютеций не только последний элемент, замыкающий ряд лантаноидов, он ещё и был открыт позже других лантаноидов. Он был обнаружен в 1907 году независимо тремя химиками – австрийцем Карлом Ауэром фон Вельсбахом, американцем Чарльзом Джеймсом и французом Жоржем Урбеном. Урбен подробнее коллег описал свойства нового элемента, в результате чего приоритет в открытии и право дать название новому элементу было дано ему. Как настоящий француз, Урбен назвал новый элемент в честь поселения кельтского племени паризиев, стоявшего во времена галльских войн Цезаря на месте нынешнего Парижа (Lutetia Parisiorum), лютецием.

В том, что лютеций оказался последним открытым лантаноидом, две причины. Во-первых, по мере увеличения атомного номера химического элемента его содержание в земной коре уменьшается, а распространённость элементов с чётными атомными номерами (как у соседнего с лютецием иттербия) выше, чем у элементов с нечётным атомным номером, – эти критерии распространённости химических элементов в земной коре называются правилом Отто–Гаркинса. Во-вторых, так как у лютеция полностью заполнен 4f-электронный подуровень, он не образует окрашенных соединений и не демонстрирует чётких спектральных линий, благодаря чему его было легко «просмотреть». Самый распространённый в земной коре лантаноид – церий, лютеций – наименее распространённый, его в земной коре гораздо меньше, чем серебра, золота и некоторых металлов платиновой группы, что делает лютеций самым дорогим лантаноидом. Лютеций еще и отличается самым маленьким радиусом среди лантаноидов, и есть исследователи, которые полагают, что в клетке Периодической системы между барием и гафнием должен стоять именно лютеций (с декабря 2016 года по рекомендациям ИЮПАК эта клетку рекомендуются оставлять пустой). Металлический лютеций – серебристо-белый металл, активность которого в реакциях с кислородом воздуха и водой сравнима с активностью магния.

Наибольшее количество лютеция применяется в нефтехимической промышленности – его оксид работает в качестве катализатора крекинга углеводородов. Нуклид ¹⁷⁷Lu применялся в радиотерапии рака. Ионы лютеция также используются для легирования гадолиний-галлиевых искусственных гранатов, применявшихся для создания компьютерной памяти, работающей за счёт организации цилиндрических магнитных доменов, которая, правда, довольно быстро была заменена жёсткими дисками с современной архитектурой.

Трифлат (трифторметлилсульфонат) лютеция показал себя эффективным и рециклизуемым катализатором органических реакций, протекающих в воде. Органический синтез в воде в последнее время становится очень популярным – он позволяет обходиться без летучих и токсичных органических растворителей. Тем не менее высокая стоимость трифлата лютеция вряд ли сделает его более популярным, чем менее эффективные, но более дешёвые трифлаты других лантаноидов.

72. Гафний

Элемент №72, открытый в 1922 году в Копенгагене и получивший название «гафний» в честь города, где было сделано открытие (Hafnia – латинское название Копенгагена), стал ещё одним подтверждением периодического закона.

Открытие, облегчившее поиски новых химических элементов и выявляющее точное количество пустых клеток Периодической системы, было сделано в 1913 году, когда Генри Мозли предложил метод распределения элементов по их атомным номерам, заменив предложенную Менделеевым сортировку по атомной массе. Закон Мозли демонстрировал, что между уже открытыми лютецием (№71) и танталом (№73) должен находиться ещё один элемент.

Ситуация с семьдесят вторым осложнялась тем, что уже было непонятно, к какому типу металлов он относится, – лютеций проявлял свойства редкоземельного элемента (понятие «лантаноиды» тогда ещё не появилось), а тантал – переходного металла, поэтому мнения разделились – бо`льшая часть химиков считала, что №72 будет очередным редкоземельным металлом, продолжая делить на фракции иттербит или гадолинит и другие редкие земли. Тем не менее, часть исследователей на основании того, что в Периодической системе элемент №72 располагался под клетками типичных переходных металлов – титана и циркония, относили этот элемент к переходным металлам. Знать то, к какому типу относится новый элемент ещё до его открытия, было важно для принятия решения о том, в каких минералах его следует искать и какие подходы для выделения использовать. В конечном итоге в споре химиков решил поучаствовать физик Нильс Бор, который рассмотрел менделеевскую периодичность через призму физики – строения атома. Причина периодичности свойств элементов по Нильсу Бору заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома, и электронная конфигурация элемента №72, предложенная Бором, тоже позволяла относить его к переходным металлам.