Семнадцать химических элементов таблицы Менделеева — скандий, иттрий и лантаноиды — сегодня присутствуют практически в каждом электронном предмете (и во многих других) нашей повседневной жизни.
Они обозначаются аббревиатурой РЗЭ (редкоземельные элементы) или РЗМ (редкоземельные металлы) и также подразделяются на легкие (LREE, от лантана до прометия), средние (MREE, от самария до гольмия) и тяжелые (HREE, от эрбия до лютеция).
Редкоземельные металлы еще называют лантоноидами потому, что все они похожи на элемент с номером 57 — лантан, да и между собой они как две капли воды, вернее, как пятнадцать капель.
Их удивительное химическое сходство доставило много хлопот. Однажды, это было в 1787 году, раскапывая старые отвалы заброшенного карьера маленького местечка Иттерби, близ Стокгольма, известный шведский химик и минералог К. Аррениус обнаружил черный тяжелый камень, по внешнему виду напоминающий асфальт или уголь.
Такого в коллекции ученого еще не было. Тогда Аррениусу, конечно, было невдомек, что спустя несколько лет из этого минерала, как из рога изобилия, "посыплются" новые "редкие земли". "Землями" в то время называли окислы, которые в чистом виде не встречаются в природе.
В 1794 году образец нового минерала, названного вначале иттербитом, попал в руки финского химика Гадолина. Ученый после тщательного химического анализа минерала обнаружил в нем известь, окислы железа, магния и кремния, а также довольно много примеси, напоминающей одновременно и окись алюминия, и окись кальция.
Это открытие новой "земли" в минерале спустя три года было подтверждено профессором химии Упсальского университета в Швеции А. Экебергом. Он-то и назвал новую "землю" иттриевой, а минерал предложил именовать гадолинитом.
Одно не устраивало ученых. Не могли они согласиться друг с другом о количественном содержании незнакомого вещества в минерале. Их спор не разрешили ни француз Вокелен, ни немец Клапрот. Каждый получал свой, отличный от другого результат.
Лишь через десять лет, когда знаменитый Берцелиус обнаружил в минерале тунгстене вместо ожидаемой "иттриевой земли" очень похожую на нее цериевую, стало ясно, что спорщики имели дело не с одной "землей", а с несколькими.
Много восторгов и разочарований пришлось пережить химикам, прежде чем, наконец, было выяснено общее число элементов, причастных к редкоземельным.
Более ста лет потребовалось, чтобы разобраться с этим дружным семейством и, отбросив "море ошибок" и ложных открытий, твердо установить между барием и гафнием в шестом периоде таблицы Менделеева пятнадцать элементов-близнецов. Вот они: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
Но вот беда, все пятнадцать жителей претендуют на одно и то же место в таблице, сразу же за барием. Неслыханный случай! До сих пор каждый элемент селился в собственной клеточке, а тут пятнадцать. Где их разместить?
Пробовали распределить "трудные" элементы по другим группам. Помещали церий в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую. Но каждый раз эти элементы чувствовали себя чужаками на новых местах. Церий совсем не походил на цирконий, а у празеодима и неодима ничего общего не было с ниобием и молибденом.
В конце концов было предложено выделить редкоземельные элементы в отдельную группу и называть ее "областью химических астероидов".
Подобно тому, как в солнечной системе целая группа астероидов занимает орбиту, по которой смогла бы двигаться одна планета, так и группа элементов "редких земель" способна занять в периодической системе одно место, на котором в другом случае стоит один элемент.
Конечно, в этом сравнении гораздо больше образности, чем четкого смысла. Гипотеза "химических астероидов" оставалась бездоказательной. Да и как можно ее объяснить, когда химики не знали, в чем причина столь удивительного сходства лантоноидов.
А все объяснялось очень просто — строением атомов редкоземельных металлов. Оно оказалось весьма своеобразным.
Если у обычных химических элементов при увеличении порядкового номера на единицу электрон, нейтрализующий положительный заряд ядра, появляется во внешней валентной оболочке, то у редкоземельных элементов он, подчиняясь строгим законам физики, просачивается в третью от поверхности оболочку.
Ему там удобнее. Там он менее возбужден и может спокойно вращаться вокруг ядра, не участвуя в химических реакциях и тем самым не оказывая существенного влияния на химические свойства элемента. За них отвечают лишь внешние валентные электроны.
И всего на этот электронный, четвертый по счету слой по закону физики, можно посадить только четырнадцать электронов. А это значит, что лантаноидов не может быть более пятнадцати, и что все они из-за своих одинаковых внешних валентных электронных оболочек чрезвычайно похожи друг на друга "характерами". Вот, оказывается, почему эти близнецы так дружны и свободно уживаются в одной-единственной клеточке.
Между тем, загадки "редкоземельного континента" продолжали волновать ученых. В дружном семействе вдруг стали появляться элементы со странной своеобразной "чертой характера".
Обычно все редкоземельные элементы трехвалентны, поэтому помещаются они в третьей группе таблицы Менделеева. Однако, как говорят, "в семье не без урода". Церий, празеодим, тербий и диспрозий, кроме своей основной степени окисления, способны находиться в четырехвалентном состоянии, а самарий, европий, тулий и иттербий — в двухвалентном.
Более того, чередование аномальных (отличных от трех) валентностей в ряду редких земель подчиняется строгой периодичности, образуя как бы малую периодическую систему в таблице Менделеева. Причем роль "инертных газов" в этой системе выполняют трехзарядные ионы лантана, гадолиния и лютеция.
Стремясь приобрести электронную структуру ближайшего "инертного" иона, церий и празеодим довольно легко отдают свой четвертый электрон и образуют устойчивые четырехвалентные химические соединения. По той же причине самарий и европий не прочь присоединить по электрону и тем самым доказать свою принадлежность к аналогам щелочноземельных элементов.
Вот так в который раз замечательное открытие физиками строения материи помогло объяснить очередную, казалось бы, неразрешимую загадку природы.
Дружное семейство редкоземельных элементов! Они неразлучны не только в периодической таблице элементов, но и в природе. Однако химиков эта трогательная дружба близнецов почему-то не умиляла. Наоборот, доставила им немало горестных минут.
Тысячи, десятки тысяч операций растворения и кристаллизации необходимы были для того, чтобы отделить один химический элемент от другого. Около 10 лет однообразной работы потребовалось французскому энтузиасту Ж. Урбэну, чтобы получить чистую окись тулия.
Редкоземельные металлы были исключительно дороги, гораздо дороже золота. Когда в 1900 году на Всемирной выставке в Париже демонстрировались небольшие, отливающие тусклым блеском слитки металлов лантана и церия, специалисты, рассматривавшие их, не смогли сдержать свое восхищение.
В то время химики не знали, пожалуй, более трудной задачи, чем выделить из руд, разделить и получить в свободном виде редкоземельные металлы.
Так всегда бывает. Если технология получения ценного элемента сложна и отнимает слишком много времени, значит, она несовершенна, значит, ее следует упростить.
И вот на смену старым методам получения редких земель пришли новые, совсем необычные.
Разрешила сложнейшую задачу по разделению элементов-близнецов ионообменная хроматография. Оказывается, чудесные молекулярные сита — ионообменные смолы, приготовленные из специальных полимерных органических веществ,— образуют с редкоземельными элементами соединения с разной степенью прочности. Они-то и помогают разобраться химикам в путанице элементов.
Раствор редких земель пропускают через специальные колонки с затвердевшими шариками смолы, на поверхности которых и задерживаются все элементы. Когда ионообменная масса насыщается, а это хорошо видно по концентрации редких земель в растворе на выходе из колонки, приступают к последовательному вымыванию элементов.
Вымывающий раствор, обычно это кислота различной концентрации, уносит сначала те элементы, которые слабее связаны со смолами.
Вот так, постепенно, вся смесь довольно четко разделяется на составляющие группы и в конце концов получают чистые редкоземельные препараты, из которых производят редкоземельные металлы. Конечно, стоимость редкоземельных элементов еще высока, тем не менее элементы-близнецы получили в современной науке и технике просто невероятно широкое признание.
Практическое применение редкоземельных металлов хорошо описано здесь: Редкоземельные элементы - стратегические металлы будущего
Бамбуров В. Г.
