Читать книгу "Элементы: замечательный сон профессора Менделеева - Аркадий Курамшин"

38. Стронций

Моё близкое знакомство с соединениями стронция состоялось в 2011 году, когда я заживлял перелом лодыжки. Хирург, который «вёл» меня, сказал примерно то, что я знал и сам — стронций будут включаться в состав растущей костной ткани также успешно, как кальций, но, не подходя по размеру кальциевым клеточным каналам, не станет причиной развития некоторых побочных эффектов. Теоретически про возможность встраивания стронция в костную ткань, и чем это может грозить, я знал где-то с 1986 года.

В 1787 в Университет Эдинбурга был доставлен необычный минерал из свинцовой шахты, расположенной около маленькой деревушки на берегах озера Санарт на западе Шотландии. Первоначально предполагалось, что эта руда содержит барий. Спустя три года Эдэр Кроуфорд опубликовал статью, что в руде содержатся вещества, образованные новым химическим элементом. Другой химик из Эдинбурга — Томас Хоуп позже получил целый ряд соединений этого элемента, еще раз показав, что это не барий — соединения бария окрашивали пламя свечи в жёлто-зелёный цвет, в то время, как вещества, выделенные из минерала, заставляли свечу гореть красным цветом. Наконец, в 1808 году руда попала в Лондон, где Хэмфри Дэви с помощью электролиза выделил из неё тот самый элемент — активный серебристый металл. Деревушка в Шотландии называлась Стронтиан, обнаруженный около неё минерал получил название «стронтианит», и элемент стал называться стронцием.

В наши дни красные вспышки салюта или красные сигнальные огни обязаны своим появлением переходам электронов между уровнями атома стронция в составе нитрата или карбоната — именно производные стронция чаще всего применяют для получения горящих красным цветом пиротехнических составов. Химические черты стронция очень похожи на свойства его соседей по группе — щелочноземельных металлов — кальция и бария. Блестящая серебристая поверхность стронция быстро тускнеет и желтеет при контакте с воздухом из-за быстрых реакций с кислородом. Естественно, высокая химическая активность стронция позволяет ему существовать в земной коре только в виде соединений. Кроме стронтианита (карбоната стронция) известной стронциевой рудой является голубой целестин, сульфат стронция, который некоторые жители сельской области в английском графстве Глостер использовали, чтобы обозначить дорожки в садах.

Если не считать применения в пиротехнических составах, практических областей применения у стронция немного — карбонат стронция можно было найти в кинескопах телевизоров с электронно-лучевыми трубками, из ферритов стронция можно изготавливать постоянные магниты, а металлический стронций применяют в получении урана. Один из нуклидов стронция — радиоактивный 90Sr имеет дурную репутацию. Период полураспада этого атома составляет 29 лет, и он относится к тем радионуклидам, которые особенно опасны для человека (радиоактивные атомы с большими периодами полураспада дают малоинтенсивное излучение, которое не опасно для живых организмов, короткий период полураспада способствует быстрому разрушению радиоактивных частиц, а вот нуклиды, период полураспада которых соотносим со временем жизни человека наиболее опасны). Образовавшийся в результате ядерных испытаний с 1945 по 1970-е годы, 90Sr по системе пищевых цепей: трава — домашние травоядные — молочные продукты попадал в организм людей, и уже исследования 1950-х годов нашли этот радионуклид в молочных зубах. Стронций может накапливаться и в костях, и, если, стабильные изотопы стронция заживляют сломанную кость без последствий, применяются в лечении остеопороза, то внедрение в костную ткань 90Sr обеспечивает человека «внутренним» источником радиоактивного излучения, что, конечно печально. В 1986 году после аварии на Чернобыльской АЭС в окружающую среду попало значительное количество 90Sr.

У стронция есть и ещё одно интересное применение — измерение изотопного состава стронция, накопленного в костях, и информация о том, что в растительной пище содержание стронция выше, чем в пище животного происхождения, позволяет антропологам и археологам делать выводы об особенностях питания наших предков. Например, в 2014 году австрийские антропологи, определив соотношение кальция и стронция в костях гладиаторов, предположили, что труженики арены, крови и песка были вегетарианцами, потреблявшими только ячмень, бобы и сушёные фрукты (PLoS ONE, 2014, 9(10): e110489). Впрочем, если подумать, что добровольный переход к вегетарианству мода сравнительно новая, а вот вынужденных вегетарианцев, просто не имевших возможности потреблять пищу животного происхождения во все века человечества было много, предположение кажется не таким уж и нелепым. Не факт, что ланисты гладиаторских школ считали необходимым часто кормить свою собственность мясом.

39. Иттрий

Ещё три десятка лет назад даже немногие химики могли рассказать что-то интересное про иттрий. Глядя на Периодическую систему, можно было сказать, что иттрий находится в побочной подгруппе третьей группы между скандием и лантаном. Кто-то мог вспомнить, что иттрий наряду с иттербием, эрбием и тербием назван в честь небольшого шведского города Иттербю, в окрестностях которого была обнаружена руда иттербит (помимо прочего из неё выделили скандий, о чем речь шла выше).

Кто-то мог припомнить историю открытия иттрия — то, как финский химик Юхан Гадолин выделил из иттербита оксид элемента, который, как показал позже Карл Мосандер, являлся смесью оксидов иттрия, эрбия и тербия. Металлический иттрий, содержащий примеси эрбия, тербия и других лантаноидов, впервые был получен в 1828 году Фридрихом Велером. Близость свойств и истекающая из этого сложность разделения редкоземельных элементов и была причиной того, что долгое время эти элементы практически не привлекали внимания учёных.

Ситуация изменилась в 1986 году, когда работавшие в IBM Георг Бердноц и Карл Мюллер обнаружили, что оксид лантана-бария-меди (La5−xCu5O5(3−y)) становится сверхпроводимым при рекордно высокой температуре — 35 Кельвинах (Z. Phys. B., 1986, 64 (1): 189–193). Говоря проще, при –238 °C электрическое сопротивление образца пропадало. В 1987 году Бердноц и Мюллер получили за своё открытие Нобелевскую премию по физике, что простимулировало других ученых поискать искать другие высокотемпературные сверхпроводники среди соединений других лантаноидов.

В 1987 году Мо-Куен Ву и Пол Чу, объединив усилия своих исследовательских групп из Университетов Алабамы и Хьюстона, выяснили, что оксид иттрия-бария-меди (YBa2Cu3O7, часто его упоминают просто как YBCO) становится сверхпроводимым ещё при более высокой температуре — 95 Кельвинах (–178 °C) (Physical Review Letters., 1987, 58 (9): 908–910).

С общежитейской точки зрения и –238 °C, и –178 °C сложно назвать высокими температурами, однако открытие Ву и Чу означало, что для поддержания сверхпроводящего состояния YBCO достаточно охлаждать его жидким азотом, в то время, как для перевода оксида лантана-бария-меди в сверхпроводящее состояние нужно было охлаждать его более дорогим жидкими гелием. Конечно, главная цель всех исследователей, занимающихся поиском сверхпроводящих материалов — вещество, которое сохраняло бы сверхпроводящее состояние хотя бы при комнатной температуре, но пока эта цель недостижима.