От водорода до …? - Таубе Петр Рейнгольдович - Страница 55

55

Долгое время лантаниды считались бесперспективными элементами, и изготовление кремней для зажигалок, о которых будет упомянуто в дальнейшем, являлось «потолком» их практического применения. И не случайно вся группа «родственников» 15–25 лет назад считалась «забытой областью химии». Однако успехи современной науки и в первую очередь достижения в области ядерной физики превращают «забытую область химии» в одну из интереснейших и многообещающих отраслей знания, на которой сосредоточено внимание не только ученых-теоретиков, но и инженеров-практиков. Углубленное изучение «семейства» лантанидов показывает, что они обладают чрезвычайно интересными свойствами, дающими возможность использовать их в самых разнообразных областях техники и науки. И не случайно в августе 1957 г. газета «Правда» указывала, что в условиях советской экономики вопросы практического освоения лантанидов приобретают государственную важность первостепенного значения.

Большое сходство химических свойств у лантанидов связано с особым строением электронных оболочек у атомов этих элементов начиная с лантана (№ 57) до лютеция (№ 71) включительно. Это особое строение приводит к тому, что по мере возрастания порядкового номера элемента увеличения радиуса атомов не происходит (лантанидное сжатие). Это явление и объясняет такое большое химическое сходство всех лантанидов.

После того как были выделены чистые соли лантана, получение самого лантана уже не представляло особого труда. Например, путем электролиза хлорида лантана получили металлический лантан, который по своему химическому поведению напоминает металл кальций. Лантан по твердости подобен олову (плотность 6,2), температура его плавления составляет всего 920±5 °C, но зато удивительно высока температура кипения (4515 °C). Как и многие активные металлы, он разлагает воду, хорошо реагирует с кислотами, а при нагревании энергично — с хлором, серой и другими металлоидами, т. е. проявляет свойства типичного металла.

Лантан — металл «самозащищающийся»: в сухом воздухе он покрывается тонкой пленкой окисла, которая защищает его от дальнейшего окисления. Но такая «защита» происходит только в сухом воздухе, влага с этой пленкой соединяется и образует сильное основание.

Неоднократно мы упоминали о таком важном металле, как алюминий, и указывали, в частности, на его способность гореть с выделением большого количества тепла. На этой реакции основано много различных процессов. У лантана теплота реакции соединения с кислородом еще больше. Как только научились получать лантан в больших количествах, он стал соперничать с алюминием в металлургии. Для удаления кислорода из жидкой стали в нее часто вводят не алюминий, а лантан. На тонну стали нужен всего один килограмм этого «раскислителя», как в технике называют вещества, освобождающие сталь от кислорода. Таким способом обработаны уже миллионы тонн стали и утверждают, что это отличный метод повышения ее качества.

Лантан совсем недавно получали в смеси с церием — другим членом семейства лантанидов, приблизительно в соотношении 1:1. Сплавив смесь этих металлов с железом, получили … «кремень», который широко применялся в карманных зажигалках. Конечно, железо-цериево-лантанный «кремень» не имеет ничего общего с природным камнем кремнем — соединением кремния. Такое название было дано сплаву за способность «искрометания» при трении по нему зазубренного стального колесика. Эта способность была использована не только в безобидных зажигалках, но и в артиллерийских снарядах. Снабдив снаряд насадкой из этого «смешанного металла», получили возможность наблюдать снаряд в полете. «Смешанный металл» при полете в воздухе искрит. При этом роль колесика зажигалки играет сам воздух, трущийся о металл.

Соединения лантана используются при изготовлении стекла для лучших объективов фотоаппаратов и специальных защитных очков. В сплаве с магнием лантан используется для изготовления деталей авиационных двигателей.

Будущее у лантана, несомненно, огромно. В природе его больше, чем, например, свинца. Правда, лантан не встречается в виде мощных месторождений чисто лантановых минералов, но его можно получать при производстве суперфосфата из апатитов. В нашей стране запасы апатитов практически неисчерпаемы.

Любопытно, что своеобразными «залежами» лантана является всем знакомое растение черника, зола которой содержит до 0,17 % окиси лантана. Много лантана в золе низкорослых карельских берез.

Возможные области применения лантана с каждым новым исследованием его свойств будет все обширнее. Установлено, что лантан при температуре, близкой к нулю, обладает сверхпроводимостью.

В память успеха астрономии

58. Церий — Cerium (Ce)

Еще в начале XVII в. астрономы обратили внимание на своеобразный пробел, существовавший между орбитами Марса и Юпитера. Сущность этого пробела заключалась в том, что в то время как орбиты Меркурия, Венеры, Земли, Марса располагались в пространстве сравнительно тесно, близко одна к другой, за Марсом до Юпитера, на расстоянии, более чем в два раза превышающем расстояние от Солнца до Марса, не было известно ни одной планеты. Этот небесный «непорядок» волновал астрономов. Они полагали, что в пространстве между Марсом и Юпитером должна существовать неизвестная планета. Астрономов, ставивших целью отыскание неизвестной планеты, в шутку называли «отрядом небесной полиции». И вот одному из его «членов» итальянцу Дж. Пиацци 1 января 1801 г. посчастливилось открыть самую большую, как выяснилось впоследствии, из множества других малых планет солнечной системы. Ее назвали Церерой, позаимствовав это название из древнеримской мифологии, в которой Церерой именовали богиню земледелия и плодородия.

Вскоре (1803 г.) Клапрот в Берлине, Берцелиус и Гизингер в Стокгольме в минерале из шахты Бастнес у Ридаритта открыли новый элемент, который был назван церием в честь успеха астрономии, а минерал, его содержащий, — цереритом, или церитом. Через три года была выделена чистая «цериевая земля». Выделить церий в относительно чистом виде удалось лишь в 1825 г. Подчеркиваем, в относительно чистом!

Несколько лет назад в литературе даже температура плавления металлического церия указывалась как неопределенная; одни авторы сообщали цифру в 640°, другие — 775°, а третьи — даже 815 °C. Это говорило о малом интересе к металлу, а отсюда, как следствие, — малой изученности.

Церий, как и остальные лантаниды, является элементом рассеянным, хотя в земной коре его содержится в 5 раз больше, чем, например, свинца, и в 250 раз больше, чем серебра. Практическое значение имеет единственный относительно богатый церием «минерал» — монацитовый песок. Монацитовый песок представляет собой смесь солей, образованных лантанидами, главным образом церия, лантана и иттрия с фосфорной кислотой.

Совсем недавно церий получали как побочный продукт из монацитового песка Бразильских, Каролинских (в США) и других месторождений. СССР также обладает месторождениями редких минералов, в составе которых имеется церий. При разработке современных методов получения относительно чистого церия выяснилось, что этот металл обладает рядом ценных свойств, которые и обеспечили новые области его применения. Оказалось, что церий хорошо соединяется с кислородом, азотом и водородом.

При выплавке стали в жидком металле остается некоторое количество окислов и растворенного азота. Если их не удалить, то при затвердевании между кристаллами металла расположатся эти окислы и сталь будет хрупкой. В практике сталеварения для уменьшения количества газов и окислов в стали уже давно применяют алюминий, у которого очень большое сродство к кислороду. У церия это сродство еще больше. Поэтому церий в виде сплава с железом или в виде так называемого мишметалла, что в переводе с немецкого означает «смешанный металл», используется как раскислитель в металлургии. Прибавка церия к алюминию (около 0,2 %) повышает электропроводность алюминия и улучшает его механические свойства. Добавление церия к вольфраму облегчает получение из него проволоки. Небольшая добавка церия к чугуну изменяет форму свободного графита в самом чугуне.