Всего их пятнадцать — лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. Не правда ли, весьма удивительные названия? Но еще удивительнее их свойства. Начать с того, что для этих элементов не нашлось места в периодической системе Менделеева и их поместили всех «оптом» в клетку лантана. Поэтому их называют лантаноидами. Но это название пришло позднее. А средневековые алхимики именовали их редкими землями. И при этом допускали большую ошибку. Ведь «землями» алхимики называли прочные и трудновосстановимые окислы. А все лантаноиды отнюдь не окислы, а элементы. И вовсе они не редкие: в земной коре их гораздо больше, чем, например, свинца или олова.
Простим алхимикам их ошибку. Они все-таки открыли лантаноиды, дали им название, хотя так и не поняли, что это — металлы. И не сумели найти для них никакого практического применения. Даже Менделеев долго не мог понять «характера» этих веществ. Он пробовал помещать каждый из них в отдельную клетку, как все остальные элементы. Но тогда нарушалась вся система. В конце концов Менделеев «подселил» их всех к лантану, где они и остались.
Менделеев сделал то, что не удавалось до сих пор никому — нашел лантаноидам место среди других веществ.
Новая история лантаноидов началась в 1787 году, когда лейтенант шведской армии Карл Аррениус, увлекающийся минералогией, обнаружил в заброшенном карьере неизвестный черный минерал. Минералог-любитель попытался выяснить его химический состав, но для этого у него не хватило знаний. Тогда он передал минерал специалистам. Лишь семь лет спустя специалисты установили, что в нем содержится «редкая земля». С этого момента потянулась цепочка сотен (!) открытий. Какие только новые элементы не «извлекали» из черного минерала! Одни из них выдерживали проверку временем, другим так и не удалось получить права гражданства. Случалось, что «открывали» новый элемент, а он вскоре распадался на ряд других, более простых веществ. Так, вновь открытое вещество, которое назвали дидим, вскоре распалось на два элемента — неодим и празеодим. У ученых создавалось впечатление, что перед ними металлы-перевертыши: различия между ними были столь незначительны, что трудно было быть уверенным, какой именно металл перед тобой. Но чем большие вставали трудности, тем больший азарт охватывал ученых: найти, распознать, понять, в чем тут дело.
Только в нашем столетии разгадана загадка лантаноидов. Оказалось, что они, в отличие от всех других элементов, заполняют электронами не внешнюю, а третью от ядра оболочку. Внешние же электронные оболочки остаются неизменными. А ведь химические свойства элемента определяются, в основном, строением наружного электронного слоя.
Эта уникальная особенность лантаноидов и является причиной того, что они так близки друг к другу по своим свойствам. Они и в природе всегда встречаются вместе, будто не могут разлучиться, и разделить их очень трудно. Недаром, когда в конце прошлого века впервые получили в достаточно чистом виде лантан, церий и неодим, то их демонстрировали на Всемирной выставке 1900 года в Париже как крупную победу науки. В наше время все лантаноиды получены уже в химически чистом виде. Удалось даже восстановить исчезнувший миллионы лет назад в результате атомного распада прометий. Его «создали» в атомном реакторе.
Долгое время лантаноиды представляли лишь чисто научный интерес. Никто не знал, какую «работу» им можно поручить. Затем одному из них нашли применение: двуокись церия вводили в так называемый полирит — материал для полировки стекла. Церий употреблялся также в составе кремешков для зажигалок.
И только лучше изучив свойства лантаноидов, их начали применять все более широко. В 1932 году у нас в стране был создан Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкоземельной промышленности (Гиредмет). Прошло немного времени, и редкоземельные элементы, о которых ранее знали только понаслышке, начали свое победное шествие в мир техники. Сейчас лантаноиды — одни из наиболее перспективных металлов. Давно миновало время, когда их «добыча» ограничивалась долями миллиграмма или даже отдельными атомами. Теперь их добывают десятками тонн. Понадобилось бы писать отдельную книгу, чтобы перечислить все, что они могут. Поэтому ограничимся только некоторыми примерами.
Достаточно ввести мизерное количество лантаноидов буквально в любой сплав, и его свойства неузнаваемо меняются. Особенно ценно, что лантаноиды повышают хладостойкость стали, а мы в следующей главе убедимся, насколько это важно.
Если в тонну чугуна добавить меньше килограмма редкоземельных, то мы получим металл, который напоминает чугун разве что по внешнему виду. Его прочность и износостойкость резко возрастают. Из такого чугуна можно отливать коленчатые валы тракторных двигателей, и они будут надежнее выкованных из стали. И гораздо дешевле. В чем тут дело? В том, что лантаноиды измельчают кристаллическую структуру сплавов. А вы помните: чем металл мелкозернистей, тем его механические качества лучше. Кроме того, редкоземельные элементы хорошо очищают сталь и сплавы от вредных примесей. Особенно отличается этим церий. Введенный в расплавленную сталь, он жадно соединяется с кислородом и другими газами, с серой, фосфором, мышьяком, и эти соединения всплывают вместе со шлаком и удаляются. Так же очищают лантаноидами и тугоплавкие металлы — хром, молибден, вольфрам.
Но на этом чудесные свойства редкоземельных далеко не исчерпываются. Они резко повышают жаростойкость сплавов. Так, добавка церия в нихром, из которого делают спирали электропечей и плиток, увеличивает срок их службы в десять раз.
Редкоземельные элементы самарий, гадолиний, диспрозий значительно улучшают магнитные свойства стали и сплавов. А кобальтовым сплавам они придают буквально рекордные магнитные характеристики. Вспомните, что мы рассказывали о магнетизме и сверхпроводимости, и вы поймете, насколько это важно.
Мы уже говорили, что авиация и ракетная техника используют легкие магниевые сплавы. В США и Англии их применяют в реактивных самолетах, управляемых снарядах, ракетах, искусственных спутниках Земли. Однако долгое время большим недостатком этих материалов была малая прочность при повышенных температурах. И это мешало их использованию. Только лантаноиды помогли магниевым сплавам «избавиться» от этого недостатка.
Океаны нашей планеты бороздят корабли и подводные лодки с атомными двигателями. Многие месяцы они могут не заходить в порты для заправки горючим. А почему бы не поставить атомные двигатели на самолеты и космические корабли? Представьте себе самолет, который может, как спутник, месяцами летать вокруг земного шара без посадки... Но как защитить экипаж и пассажиров от нейтронного излучения реактора? На кораблях и подлодках ставят массивные бетонные стены, не пропускающие нейтроны. На самолетах, где каждый килограмм веса на учете, это, естественно, невозможно. Но вот оказалось, что один из редкоземельных — гадолиний — очень активно поглощает нейтроны. Лист из гадолиния толщиной всего в несколько сантиметров является такой же надежной защитой, как толстая бетонная стена.
Но не только в металлургии применяются лантаноиды, они работают и в приборах, имеющихся в наших квартирах.
Несколько лет назад в Западной Европе разразился скандал.
Большая партия цветных телевизоров, распроданная покупателям, оказалась опасной для здоровья — кинескопы создавали радиоактивный фон.
Исследования показали, что непрошеный излучатель — радиоактивный элемент торий. Но как он попал в люминофор?
Виной тому оказалась плохая очистка европия, применяемого в цветном телевидении. Это его атомы передают на экране все оттенки красного цвета. А торий — частый спутник редкоземельных. И очень важно от него избавиться, иначе возможны неприятные «сюрпризы». Только избавиться от него очень трудно. Лучше всего это получается у наших ученых. При анализе европия, произведенного в Советском Союзе, не были замечены даже малейшие радиоактивные примеси. Это мгновенно подняло популярность «русских лантаноидов». Советские внешнеторговые организации заключили контракты на поставки в западные страны больших партий редкоземельных металлов.
Путь редкоземельных в электронику не ограничивается телевидением. Возьмем, к примеру, такие «узелки памяти» ЭВМ, как ферриты. В них хранится записанная информация, в них же производятся математические операции. Скорость и надежность работы машин во многом определяется качеством этих «узелков». Добавки редкоземельных в ферриты как бы вливают в них вторую жизнь: делают их более «покладистыми» к переключению, уменьшают вероятность возможных ошибок. Применяются редкоземельные и в лазерной технике. Стержни для квантовых генераторов, где электрическая энергия преобразуется в тончайший луч, обладающий чудесными свойствами, обязательно имеют в своем составе лантаноиды.
Лантаноиды «работают» и в оптических стеклах. Любой фотолюбитель знает, что лантановые линзы объектива позволяют получить самое лучшее изображение. Редкоземельные проникли даже в ювелирные мастерские. Из них делают искусственные драгоценности, так называемые алюмоиттритиевые гранаты. Примечательно, что когда сотрудники Гиредмета впервые показали эти камешки известному московскому ювелиру, тот долго не мог поверить, что это не бриллианты. Их невозможно отличить по внешнему виду. Только твердость у алюмоиттритиевых гранатов ниже, чем у бриллиантов. По этому признаку их и отличают.
Весь мир любуется стеклянными изделиями, выпускаемыми умельцами из города Гусь-Хрустальный. Среди них — хрустальные вазы, сверкающая радугой посуда, всевозможные сувениры. Лантаноиды придают стеклу различные оттенки: церий — желтый, празеодим — зеленый, неодим — розовато-фиолетовый.
Лантаноиды применяются и в медицине: входят в состав некоторых лекарственных препаратов. А не так давно они освоили еще одну медицинскую «профессию».
Больному надо сделать рентген грудной клетки. Но он не может пойти в поликлинику. Как быть? Тащить на квартиру громоздкий рентгеновский аппарат? Это невозможно, да сейчас и не нужно. Врач берет с собой портативный просвечивающий аппарат, весящий меньше двух килограммов. В нем, в стальной трубке, находится 0,1—0,2 грамма радиоактивного изотопа редкоземельного элемента тулия, который излучает мягкие гамма-лучи, мало отличающиеся от рентгеновских.
Как видите, огромное поле деятельности.
И все же лантаноиды — это металлы будущего. Мы пока многого о них не знаем. Ряд научно-исследовательских институтов в нашей стране и за рубежом усиленно изучает их, чтобы выявить все новые свойства и создать более совершенные материалы для машин, механизмов, приборов, которые пока что существуют в эскизах. Впрочем, поисками новых материалов и технологических процессов занимается сейчас вся металлургия. Давайте заглянем в лаборатории ученых: какие проблемы волнуют сегодняшнюю металлургию?
