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

62. Самарий

Достаточно обычна ошибка школьников, участвующих в химических олимпиадах — они считают, что элемент самарий назван в честь города Самары. Это не так, но история названия самария не менее интересна, всё равно имея отношение к России. Мы с полным правом можем считать самарий первым элементом, который был назван в честь живого человека, а не древнегреческого бога или мифического создания. Своё название самарий получил благодаря обнаруженному около города Миасса на Южном Урале минералу самарскиту, из которого он был выделен.

Такое название минералу дал немецкий минералог Генрих Розе, желая поблагодарить начальника штаба Корпуса горных инженеров с 1845 по 1861 генерал-лейтенанта Василия Евграфовича Самарского-Быховца, который в 1847 году предоставил ему образец минерала для анализа. Самарий в самарските был обнаружен в 1879 году Лекоком де Буабодраном. Металлический самарий впервые был получен только в начале XX века.

Самарий — редкоземельный металл с характерным серебристым блеском. На воздухе он окисляется, а при температуре выше 150 °C воспламеняется. К редкоземельным металлам принято относить скандий, иттрий и пятнадцать лантаноидов (от лантана до лютеция). Термин «редкоземельные» является простым отражением того факта, что эти элементы были выделены из относительно редких оксидных минералов («земель»). В настоящее время редкоземельные элементы приобретают все большую значимость в производстве электроники — компьютеров, смартфонов, фитнесс-трекеров и других устройств.

Самарий позволяет собрать важную информацию о геологической истории Земли. Известно одиннадцать изотопов самария, четыре из которых стабильны, а семь — радиоактивны, причем у трёх — 147Sm, 148Sm и 149Sm исключительно продолжительный период полураспада. Наибольший интерес для геологии представляет 147Sm, период полураспада которого составляет 106 миллиардов лет. Даже по геологическим меркам это огромный промежуток времени — возраст нашей Вселенной оценивается в 13.8 миллиардов лет, а геологический возраст Земли равен миллиардам. Чем так важен для геологии 147Sm? При его распаде образуется неодим, который практически полностью повторяет химические свойства самария. Это, в свою очередь, приводит к тому, что образующийся неодим остается на месте распавшегося самария в кристаллической решетке породы, будь то порода осадочная или магматическая. Более распространённые цепочки распада (наиболее известная из которых — превращение урана в свинец) приводят к образованию элементов, существенно отличающихся от элемента, давшего начало радиоактивным превращениям, в результате чего в местах распада может происходить локальное разрушение кристаллической решётки и потеря минералом части продуктов распада, приводящая к ошибкам в датировке. Слежение за превращением самария в неодим лишено подобного недостатка.

С 1950-х годов самарий применяется в атомной энергетике. Вскоре после Второй мировой войны в США был разработан способ дробной кристаллизации, позволяющий выделить из руд редкоземельных элементов чистый неодим, побочным продуктом которого была смесь самария и гадолиния. Нуклид 149Sm хорошо поглощает нейтроны, и отходы производства неодима стали использоваться как первые поглотители нейтронов в управляющих стержнях атомных реакторов. В наши дни самарий продолжает поглощать нейтроны в реакторных стержнях, но уже в виде так называемого самарий-европий-гадолиниевого концентрата.

Самарий работает и там, где нет радиации — из него делают электроды электродуговых ламп, освещающих съемочные павильоны кино- и телестудий, а также устойчивые к размагничиванию постоянные магниты (наиболее устойчив к размагничиванию полученный сравнительно недавно интерметаллид SmCo5). Такие магниты применяются в динамиках колонок и наушников, а также в производстве электрических гитар. Оксид самария применяют для изготовления стёкол, поглощающих инфракрасное излучение и для легирования кристаллов фторида кальция, предназначенных для оптических лазеров. В последнее время высокотехнологичные сектора производства, требующие применять больше самария и других редкоземельных элементов, растут, что приводит к увеличению спроса на эти элементы и их цены. Заметим, что «китайское чудо» — значительное увеличение производства электронных устройств в Китайской народной республике связано в том числе и с тем, что на территории КНР расположены самые богатые запасы самария и других редкоземельных элементов на Земле.

63. Европий

Как это часто бывает для элементов, открытых в конце девятнадцатого, начале двадцатого века, приписать пальму первенства открытия европия кому-то одному довольно сложно.

К обнаружению европия причастен британский химик и физик Уильям Крукс, который более известен своими работами, которые, в конечном итоге привели к созданию кинескопов для телевизоров и компьютерных мониторов — он обнаружил, что, если приложить к электродам, расположенным внутри стеклянной вакуумированной трубки (трубки Крукса) высокое электрическое напряжение, то в трубке будет наблюдаться необычное свечение. Сам Крукс назвал эффект «катодными лучами», позже стало ясно, что причина свечения — поток электронов, движущихся от катода к аноду; физике также считают Крукса человеком, заложившим основы радиометрии. В 1886 году Крукс проводил спектральный анализ минерала, содержащего иттербий и самарий и заметил, что набор линий, которые позволяет получить спектрометр, указывает на наличие в образце третьего элемента, однако развивать идею и выделять новый элемент из руды Крукс не стал.

Вслед за Круксом спектральные линии нового элемента в соединениях металлов, которые мы сейчас называем лантаноидами, в 1892 году наблюдал Поль Лекок де Буабодран. В конечном итоге чистая соль нового элемента была получена в 1901 году ещё одним французским физиком Эженом-Анатолем Демарсе, который и дал ему название в честь континента Европы. Металлический европий был выделен из соли еще спустя десяток лет. Некоторые специалисты по истории науки сравнивают ситуацию с открытием европия с зеркальным вариантом открытия пенициллина — для нас открытие первого антибиотика связывается с именем Александра Флеминга, однако настоящую пользу пенициллин стал приносить через десять с лишним лет после публикации Флеминга, когда биохимикам Эрнсту Борису Чейн и Хоуарду Уолтеру Флори, о которых помнят только специалисты в области биохимии, удалось выделить пенициллин в чистом виде. С европием ситуация обратная — лавры первооткрывателя этого элемента официально принадлежат Демарсе, а о Круксе и Буабодране почти не вспоминают, хотя, конечно, сравнение было бы более ярким, если бы про европий знало бы примерно столько же людей, сколько знают про пенициллин.

Несмотря на то, что европий не является самым известным химическим элементом, он значительно влияет на наше окружения, применяясь как легирующая добавка. Небольшое количество производных европия добавляют в люминофоры — материалы, которые начинают светиться при воздействии электронов или ультрафиолетового излучения. Люминофоры применялись при изготовлении кинескопов телевизоров и мониторов компьютеров с электронно-лучевыми трубками, в медицине люминофоры используют для рентгена и флюорографию. Способность люминофоров светиться без электрического источника энергии используется в системах эвакуации и пожарной безопасности. Европий позволяет обеспечить свечение двумя цветами — соли трехвалентного европия, добавленные к люминофорам, заставляют их излучать красный свет, а двухвалентного — голубой. Европий является одним из самых дорогих лантаноидов, килограмм металлического европия стоит около 2000 долларов.