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

Оксид бария впервые получили в 1774 году Карл Шееле и Юхан Ган, а металлический барий в 1808 с помощью электролиза выделил уже неоднократно упоминавшийся в этой книге английский химик Хемфри Дэви. Барий — мягкий и тяжёлый металл, относящийся к щёлочноземельным металлам. Среди них он является наиболее активным, и поэтому с помощью металлического бария часто очищают от следов кислорода аргоновые или вакуумные линии.

Отличительная черта соединений бария — высокая плотность. Так, самый известный и распространённый минерал бария — барит (он же сульфат бария BaSO4), иначе называют «тяжёлым шпатом» (его плотность 4.5 г/см3). Название бария происходит от греческого barys — тяжёлый. Благодаря высокой плотности барит применяют в бурении нефти.

Карбонат бария годится не только на то, чтобы травить грызунов — его используют в производстве стекла, барий может усилить его блеск. Сульфат бария добавляют не только в буровые растворы, кашки, клизмы и LEGO — из него делают пигменты, керамические изделия и стройматериалы, немалое количество сульфата бария идёт на производство резины. Нитрат и перхлорат бария являются основой пиротехнических составов, дающих зелёный цвет огням фейерверка или сигнальным ракетам; титанат бария с 2007 года применяется в источниках энергии для электромобилей. Несмотря на то, что барий является четырнадцатым по распространённости в земной коре элементом, многочисленные области применения обеспечивают высокий спрос на этот металл и относительно высокую цену.

Удивительно, но этот токсичный металл, точнее его соединения, может многое рассказать об истории жизни на Земле. Осадочные отложения барита на дне океана образуются пропорционально активности океанического фитопланктона, представляющего собой подножие пищевых пирамид в море и океане. Характер осаждения сульфата бария в осадочных породах позволяет говорить производительности океанической экосистемы в любой момент геологической истории Земли, а то, что сульфат бария в отличие от других осадочных пород, нерастворим, позволяет добывать из него информацию о миллионах лет жизни океана.

57. Лантан

Если внимательно посмотреть на Периодическую систему, можно увидеть, что атомные номера химических элементов в ней идут не непрерывно. В некоторых таблицах после бария с его атомным номером 56 стоит пустая клетка, а после неё идет элемент № 72 — гафний (если таблица отпечатана с учетом требований ИЮПАК от ноября 2016 года), в других (более старых) гафний будет идти не после пустой клетки, а после элемента № 57 — лантана.

В любом случае — две группы по 15 (современная версия Периодической системы) или 14 химических элементов вынесены в отдельные семейства вне рядов и период. Первая такая группа, которую «отпочковал» от Периодической системы в 1921 году Нильс Бор — лантаноиды, а элемент, начинающий группу лантаноидов — лантан. В конце 1980-х годов, когда я постигал неорганическую и прочие химии в стенах Казанского университета, о лантане и лантаноидах нам рассказывали в стилистике рассказа об истории мидян — поскольку непонятно, зачем можно использовать лантаноиды, оставим информацию о них полной тёмных пятен. Прошло три десятка лет, и ситуация изменилась — не знаю, конечно, что рассказывают про лантаноиды первокурсникам на лекциях, но эти элементы и их соединения стали весьма востребованными в современных технологиях от камер смартфонов до плавательных бассейнов.

Но обо всём по порядку — начнём с лантана. Этот элемент был не первый, хотя и один из первых открытых лантаноидов. Первое соединение лантана было открыто шведским химиком Карлом Густавом Мозандером в 1839 году, а первый образец металлического лантана удалось получить только в 1923 году. Лантан неожиданно оказался в минерале церия, с которым работал Мозандер. Появление соединения нового элемента в образце было столь неожиданно для исследователя, что он решил назвать новый элемент лантаном (от греческого «лантано» — скрываюсь от взора. Лантан — один из наиболее активных лантаноидов, он активно реагирует с горячей водой. Лантан вместе с церием и неодимом относится к наиболее распространенным редкоземельным элементам.

В тех областях, в которых применяется лантан, он больше всего напоминает артиста, постоянно исполняющего роли героев второго плана — такие появляются в различных фильмах, постоянно играя разных персонажей и не имея строго амплуа. В настоящее время производство металлического лантана достаточно дёшево, и он часто используется как вспомогательный материал. Небольшие количества лантана добавляют в железо или сталь, при этом понижается их хрупкость, введение лантана в вольфрам позволяет повысить долговечность электродов для дуговой сварки. Кремень зажигалок делают из смеси редкоземельных металлов (мишметалла), и примерно четверть в этой смеси приходится на лантан.

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 производя, 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 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.