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

Жителям Европы (и не только) довольно часто приходится держать в руках изделия, в которых содержится европий — содержащие этот металл люминофоры применяются для защиты от подделки евробанкнот, что, учитывая происхождение названия элемента, довольно символично.

Длительные трудности с выделением металлического европия, как, впрочем, и его высокая цена связана ещё и с тем, что этот металл проявляет относительно высокую химическую активность (скорость окисления европия кислородом воздуха или взаимодействия с водой сравнимы со скоростью реакции кальция), и при контакте с воздухом европий покрывается слоем жёлтого карбоната Eu2(CO3)3. Европий является хорошим поглотителем нейтронов, но редко применяется в атомной энергетике как из-за высокой стоимости, так и из-за того, что поглощающие нейтроны производные европия выдерживают в ядерном реакторе в полтора раза меньше, чем обычно использующийся для захвата нейтронов карбид бора.

64. Гадолиний

Гадолиний был назван в честь финского химика и геолога Юхана Гадолина, который одним из первых начал изучать образец минерала, найденный около шведского селения Иттербю. В 1792 году Гадолин выделил из минерала иттербита первый редкоземельный металл — иттрий, после чего оказалось, что обильный новыми минералами иттербит — два минерала, один из которых позднее в честь Гадолина был назван гадолитнитом.

Сходство свойств лантаноидов значительно затрудняло возможности их отделения друг от друга в индивидуальном виде, поэтому история гадолиния продолжилась только в 1880 году, когда швейцарский химик Жан де Мариньяк обнаружил в гадолините спектральные линии нового элемента. Шесть лет спустя Лекок де Буабодран выделил из гадолинита оксид нового элемента и назвал его гадолинием. Высокая активность гадолиния, как и других лантаноидов затрудняла его получение в виде простого вещества, и первый образец металлического гадолиния был получен только в 1935 году.

Если посмотреть последнее издание Химической энциклопедии, том с информацией про гадолиний которой был издан в 1988 году, можно увидеть, что и свойствам металла, и его применению в ней уделено буквально несколько строчек. Действительно, информация о химических свойствах гадолиния небогата — так или иначе, она сводится к тому, что гадолиний образует трехзарядный ион Gd3+, который не может похвастаться какой-то интересной окраской солей в растворе — он бесцветный. Тем не менее, именно этот ион и привлекает внимание теоретиков и практиков в последнее время. Уникальность иона Gd3+ в том, что на его 4f-электронном подуровне размещается семь неспаренных электронов, придающих иону большой магнитный момент — именно это свойство гадолиния в последнее время все чаще и чаще эксплуатируется.

Одно из главных направлений применения гадолиния — устройства, которые могут использоваться в холодильных установках, для которых не нужны хладагенты. В настоящее время большая часть промышленных и бытовых холодильных установок работают поддерживают низкие температуры за счет процессов испарения хладагентов — хлорфтоуглеводородов (фреонов), применение которых может быть опасно для озонового слоя. Магнитные элементы, в которых уже работает гадолиний, создают низкую температуру в результате процесса, известного как адиабатическое размагничивание. Работает это следующим образом: под действием постоянного магнитного поля магнитные моменты, создаваемые неспаренными электронами, ориентируются по направлению поля, принимая минимальное значение потенциальной энергии; выделяющаяся при это теплота может отводиться с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения. При отключении магнитного поля магнитные моменты переходят из упорядоченного в хаотичное состояние, и происходит охлаждение материала. С помощью адиабатического размагничивания можно получать температуры вплоть до 0.001 K (Physical Review 1933. —vol. 43, iss. 9. — P. 768), этот способ охлаждения требует на 20–30 % энергии меньше, чем привычные нам системы компрессорного охлаждения, к тому же «магнитным холодильникам» для работы не нужны фреоны.

Магнитные свойства иона гадолиния также успешно применяются как контрасты для магнитно-резонансной томографии, метода медицинской диагностики, который позволяет получать изображения наших тканей и органов. Когда МРТ-исследования применяются для диагностики кровеносной системы или опухолей, гадолинийсодержащие контрастные агенты вводятся внутривенно для улучшения качества изображения.

Радиус иона Gd3+ аналогичен радиусу Ca2+, но заряд гадолиниевого иона больше. Это означает, что простые соли гадолиния нельзя вводить человеку в кровь — организм может «принять» их за кальций, из-за чего нарушится работа ряда биохимических реакций, управляемых ионами кальция. Чтобы обезопасить пациента от токсичного гадолиния, ион Gd3+ «вкладывают в конверт» — получают комплекс иона с лигандом — диэтилентриаминпентауксусной кислотой. С ионом гадолиния связывается одновременно восемь атомов из состава лиганда, что исключает попадание свободного иона в кровь человека (на магнитные свойства иона это связывание не влияет). Комплекс абсолютно безопасен, он циркулирует по кровеносной системе пациента, облегчая диагностику с помощью МРТ, и через некоторое время выводится почками в неизменном виде, не причиняя вреда организму. В целом, для гадолиния постоянно находятся все новые области применения, как, впрочем, и для других редкоземельных элементов, внезапно оказавшихся востребованными в начале XXI века.

65. Тербий

Тербий, ещё один элемент, обнаруженный в той самой руде из-под селения Иттербю, и один из четырёх, названных в честь этого населённого пункта (кроме тербия это иттрий, эрбий и иттербий). Соединения тербия впервые были выделены профессором химии и минералогии Каролинского института в Стокгольме Карлом Густавом Мосандером. Мосандер показал, что оксид иттрия загрязнён двумя другими оксидами — окрашенным в жёлтый цвет оксидом тербия и розоватым оксидом эрбия. Чистые соли тербия удалось получить только в начале XX века с помощью ионного обмена. Это удалось французскому химику Жоржу Урбэну.

Соединения тербия обычно содержат его ион со степенью окисления +3, который стабилен в водном растворе, однако существуют и соединения, в тербий приобретает необычную для лантаноидов степень окисления +4 (правда, соединения, содержащие ион Tb4+, сохраняют устойчивость только в кристаллическом состоянии) — в четырёхокисленном состоянии электронная оболочка тербия идентична по строению оболочке иона Gd3+. Те свойства соединений тербия, благодаря которым они находят применение, являются следствием их оптических и спектральных свойств, тербий вообще можно назвать одним из самых красочных и изученных лантаноидов.