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

Лютеций не только последний элемент, замыкающий ряд лантаноидов, он ещё и был открыт позже других лантаноидов. Он был обнаружен в 1907 году независимо тремя химиками — австрийцем Карлом Ауэром фон Вельсбахом, американцем Чарльзом Джеймсом и французом Жоржем Урбеном. Урбен подробнее коллег описал свойства нового элемента, в результате чего приоритет в открытии и право дать название новому элементы было дано ему. Как настоящий француз, Урбен назвал новый элемент в честь поселения кельтского племени паризиев, стоявшего во времена галльских войн Цезаря на месте нынешнего Парижа (Lutetia Parisiorum) лютецием.

В том, что лютеций оказался последним открытым лантаноидом, две причины. Во-первых, по мере увеличения атомного номера химического элемента его содержание в земной коре уменьшается, а распространённость элементов с чётными атомными номерами (как у соседнего с лютецием иттербия) выше, чем у элементов с нечётным атомным номером — эти критерии распространённости химических элементов в земной коре называются правилом Отто-Гаркинса. Во-вторых, так как у лютеция полностью заполнен 4f-электронный подуровень, он не образует окрашенных соединений и не демонстрирует чётких спектральных линий, благодаря чему его было легко «просмотреть». Самый распространённый в земной коре лантаноид — церий, лютеций — наименее распространённый, его в земной коре гораздо меньше, чем серебра, золота и некоторых металлов платиновой группы, что делает лютеций самым дорогим лантаноидом. Лютеций еще и отличается и самым маленьким радиусом среди лантаноидов, и есть исследователи, которые полагают, что в клетке Периодической системы между барием и гафнием должен стоять именно лютеций (с декабря 2016 года по рекомендациям ИЮПАК эта клетку рекомендуются оставлять пустой). Металлический лютеций — серебристо-белый металл, активность которого в реакциях с кислородом воздуха и водой сравнима с активностью магния.

Наибольшее количество лютеция применяется в нефтехимической промышленности — его оксид работает в качестве катализатора крекинга углеводородов. Нуклид 177Lu применялся в радиотерапии рака. Ионы лютеция также используется для легирования гадолиний-галлиевых искусственных гранатов, применявшихся для создания компьютерной памяти, работающей за счёт организации цилиндрических магнитных доменов, которая, правда, довольно быстро была заменена жёсткими дисками с современной архитектурой.

Трифлат (трифторметлилсульфонат) лютеция показал себя эффективным и рециклизуемым катализатором органических реакций, протекающих в воде. Органический синтез в воде в последнее время становится очень популярным — он позволяет обходиться без летучих и токсичных органических растворителей. Тем не менее, высокая стоимость трифлата лютеция вряд ли сделает его более популярным, чем менее эффективные, но более дешёвые трифлаты других лантаноидов.

72. Гафний

Элемент № 72, открытый в 1922 году в Копенгагене и получивший название гафний в честь города, где было сделано открытие (Hafnia — латинское название Копенгагена), стал ещё одним подтверждением Периодического закона.

Открытие, облегчившее поиски новых химических элементов и выявляющее точное количество пустых клеток Периодической системы, было сделано в 1913 году, когда Генри Мозли предложил метод распределения элементов по их атомным номерам, заменив предложенную Менделеевым сортировку по атомной массе. Закон Мозли демонстрировал, что между уже открытыми лютецием (№ 71) и танталом (№ 73) должен находиться ещё один элемент.

Ситуация с семьдесят вторым осложнялась тем, что уже было непонятно, к какому типу металлов он относится — лютеций проявлял свойства редкоземельного элемента (понятие «лантаноиды» тогда ещё не появилось), а тантал — переходного металла, поэтому мнения разделились — большая часть химиков считала, что № 72 будет очередным редкоземельным металлом, продолжая делить на фракции иттербит или гадолинит и другие редкие земли. Тем не менее, часть исследователей на основании того, что в Периодической системе элемент № 72 располагался под клетками типичных переходных металлов — титана и циркония, относили этот элемент к переходным металлам. Знать то, к какому типу относится новый элемент ещё до его открытия было важно для принятия решения о том, в каких минералах его следует искать, и какие подходы для выделения использовать. В конечном итоге в споре химиков решил поучаствовать физик Нильс Бор, который рассмотрел менделеевскую периодичность через призму физики — строения атома. Причина периодичности свойств элементов по Нильсу Бору заключалась в периодическом повторении строения внешнего электронного уровня атома, и электронная конфигурация элемента № 72, предложенная Бором, тоже позволяла относить его к переходным металлам.

В 1922 году Дирк Костер и Дьердь Хевеши решили проверить идею Бора и поискать новый элемент в циркониевых рудах (впоследствии Нобелевский лауреат Хевеши известен ещё и тем, что в 1940 году растворил золотые нобелевские медали немецких физиков Макса фон Лауэ и Джеймса Франка в царской водке, чтобы спрятать их от входивших в столицу Дании немецких войск). Через несколько недель, обнаружив в рентгеновском спектре циркониевой руды линии, предсказанные Мозли для элемента с порядковым номером 72, они выделили его, доказав его сходство с цирконием, подтвердив выкладки Бора и, тем самым, окончательно закрепив теоретические выкладки, и поныне лежащие в основе Периодического закона. Открытие гафния заполнило одну из шести пустых клеток, оставшихся на тот момент в Периодической системе, гафний также стал предпоследним стабильным элементом, обнаруженным в земной коре; последним стал открытый в 1925 году рений.

Гафний нельзя назвать экзотическим для земной коры — при его атомном номере 5.8 грамма гафния на тонну верхнего слоя Земной коры это не так уж и мало. Трудности с его обнаружением были связаны с тем, что гафний не образует своих собственных минералов и руд, сопутствует цирконию, характеризуясь при этом практически таким же атомным и ионным радиусом, что и цирконий, что, естественно, затрудняет его отделение от «металла-хозяина». В наши дни проблема разделения смесей гафний-цирконий решена благодаря методам экстракции, и, позволяет ежегодно добывать около 70 тонн гафния. Хотя этот элемент и не дёшев, затраты на его добычу и извлечение окупаются его уникальными свойствами.

Металлический гафний проявляет исключительную стойкость к коррозии. Более того, гафний легко захватывает нейтроны, что делает его идеальным материалом для изготовления замедляющих стержней ядерных реакторов, в особенности — реакторов, работающих в жёстких условиях подобно наиболее распространённым в атомной энергетике водо-водяным ядерным реакторам.

При сплавлении с металлами гафний даёт суперсплавы, которые способны противостоять высоким температурам, это их свойство эксплуатируется в космической отрасли — из таких суперсплавов делают детали ракет и спускаемых аппаратов. Карбид гафния (HfC) — рекордсмен среди бинарных (состоящих из двух химических элементов) веществ по температуре плавления, она составляет 3890 °C. Смешанный карбид гафния-вольфрама плавится при 4125 °C. Для сравнения, температура плавления металлического вольфрама, считающегося «эталоном» тугоплавкости — 3422 °C.