Стали и прочие сплавы
Давным-давно в красной Москве организовали Горную академию, а потом на её основе металлургический институт. Главным металлом в те годы считалась сталь, потому и назвали это высшее учебное заведение бесхитростно: институт стали, и едва ли не сразу, как в рифму, присвоили ему имя Сталина.
В 1962 году по постановлению партии и правительства институту приходилось избавляться от когда-то почётного имени. Но к тому времени аббревиатура МИСиС была, как сказали бы сейчас, хорошо раскрученным брендом. Чтобы сохранить этот бренд, институт назвали институтом стали и сплавов. Получилось немного невнятно (что за сплавы такие?), но к этому вскоре все привыкли. К тому же МИСиС уже давно занимался не только чёрной, но и цветной металлургией, а также такими материалами, которые иначе, как специальными сплавами и не называли.
МИСиС – моя альма матер. Мой дипломный проект был посвящён компьютерным расчётам электронной структуры одного из редкоземельных металлов. Наука, однако! Но любому диплому предшествовало введение, в котором следовало показать важность работы и очертить положение проделанного исследования в общем научно-техническом строю.
Особой сложности в написании введения не было. Начинать полагалось с упоминания классиков марксизма-ленинизма или же очередного съезда Коммунистической партии Советского Союза. Тогда таковым был 25-й съезд. Поскольку производство редкоземельных элементов считалось цветной металлургией, из обширной речи товарища Брежнева на съезде изымалась цитата о важности этой отрасли для продвижения страны к изобилию и коммунизму, и можно считать, полдела было сделано. Ни Маркс, ни Энгельс, ни Ленин о важности иттрия, иттербия или гадолиния не высказывались.
Затем следовало обратиться к какой-либо монографии по редкоземельным металлам и переписать приблизительно страничку из введения. Если подходить к этому делу механически, тоже ничего сложного. Не более часа работы авторучкой. Но у меня была плохая привычка: вдумываться в то, что читаешь. А уж, тем более, что пишешь. Поэтому я провёл над небольшой монографией больше времени, чем предполагалось. И обнаружил кое-что интересное.
Во-первых, редкоземельных элементов оказалось совсем не мало. В эту группу таблицы Менделеева входит 15 элементов. Все они – металлы. Так что можно говорить о редкоземельных металлах, и ошибкой это не будет.
Во-вторых, несмотря на название, редкоземельные элементы были совсем не редкими. Их распространённость в земной коре превышала содержание свинца, меди, олова и золота. Многие из этих элементов уходили в отвалы при производстве, например, титана и магния, поскольку извлечение их обходилось дорого, а существенного спроса на время написания монографии не было.
В-третьих, редкоземельными элементами занималось в СССР не министерство цветной металлургии, а министерство среднего машиностроения. Значит, применялись эти элементы в атомной и в космической отрасли. Некоторые применения были известны из открытой литературы. Лантан, церий, неодим и празеодим повышают прозрачность стекла и используются для улучшения качества объективов фотоаппаратов. Добавки других редкоземельных элементов делают стекло прозрачным для инфракрасного и ультрафиолетового участков спектра. Кое-какие из редкоземельных элементов широко применялись в производстве магнитных сплавов.
В-четвёртых, СССР занимал одно из первых мест по производству редкоземельных элементов и был одним из мировых экспортёров этих металлов.
Конечно, ничего из этой интересной информации в диплом не вошло, но в голове осталось впечатление о большой важности редкоземельных элементов, с которыми в реальной жизни мне тогда пришлось встречаться только при использовании фотообъективов с оптикой, просветлённой лантаном.
Догоним и перегоним Китай!
Открытие редкоземельных элементов – интереснейшая история. Как ни странно, она начинается весьма далеко от Европы, в Китае. Из Китая в Европу издавна привозили очень изящную и очень дорогую фарфоровую посуду. Дороговизна фарфора подстёгивала предприимчивые умы в Европе к разгадке секрета китайского фарфора.
Предприимчивость ума свойственна как учёным, так и мошенникам. В 1704 году учёный и мошенник встретились. Произошло это в замке Кёнигштайн в Саксонии, которая сейчас является частью Германии. Комендантом Кёнигштайна был известный физик и математик граф Эренфрид Вальтер фон Чирнхауз (Ehrenfried Walther von Tschirnhaus; 1651 — 1708). Он интересовался производством стекла, как для роскошной посуды, так и для телескопов. В поисках огнеупорного материала для стеклоплавильных печей он изучал геологию окрестных гор и хорошо представлял, где и какое полезное ископаемое лежит вокруг Кёнигштайна.
В 1704 году к нему под арест был направлен некто Иоганн Фридрих Бётгер (Johann Friedrich Böttger; 1682 — 1719) который объявил себя алхимиком и даже продемонстрировал успешную трансмутацию, то есть превращение ртути в золото. Это, конечно, было мошенничество, о котором сам мошенник вскоре пожалел. На него обратил внимание саксонский король Август и заключил в замок в Майсене, требуя наладить производство золота.
Надо сказать, что Бётгер был хорошо образован: он учился в университете, и многое из выученного неплохо усвоил. Чирнхауз заметил способности молодого человека, и обратил их в нужную сторону. Производство золота было проблематичным, но фарфор ценился не дешевле золота. Так может быть, заняться производством фарфора?
В марте 1709 года, уже после смерти Чирнхауза, Бётгер достиг успеха, о котором можно было доложить королю. В январе 1710 года в майсенской крепости Альбрехтсбург заработала первая европейская мануфактура по производству фарфора, качество которого было неотличимо от китайского. Майсенский фарфор славится до сих пор. А вскоре фарфоровые фабрики начали возникать в разных местах Европы, где можно было отыскать подходящее сырьё: белую глину, полевой шпат и кварц.
Редкие земли
Мануфактура по производству фарфора находилась и в Стокгольме. В качестве сырья здесь использовали превосходный полевой шпат и кварц, доставляемый из деревни Иттербю (Ytterby) на острове Ространд, приблизительно в 20 километрах от Стокгольма.
В 1787 году здесь был найден тяжёлый минерал чёрного цвета, который по месту нахождения назвали «иттербитом». Полный анализ этого минерала сделал профессор университета в городе Або (сейчас этот город называется Турку) Юхан Гадолин (1760 — 1852).
Гадолин родился в Або и получил образование по химии в главном шведском университете в городе Уппсала. Кроме родного шведского языка он в совершенстве владел латынью, а также немецким, английским, французским, русским и финским языками. По этой причине Гадолина числят иногда шведским, а иногда финским учёным, хотя до появления самостоятельного государства Финляндия было ещё очень далеко.
Побывав и поучившись в главных университетах Англии, Ирландии, Голландии и Германии, в 1797 году Гадолин занял должность профессора химии университета в Або. Впоследствии он стал ещё и членом-корреспондентом Петербургской академии наук.
Интересно, что в своих учёных странствиях Гадолин решил не заезжать в Париж, хотя там в это время работал выдающийся химик-аналитик Луи-Николя Воклен (Louis Nicolas Vauquelin; 1763 – 1829). Но во Франции бушевала революция, которая, знаете ли, не слишком способствует занятиям наукой. Всем тогдашним учёным была известна печальная судьба Антуана Лавуазье. И в особенности, Гадолину, исследования которого по термохимии способствовали победе теории горения Лавуазье над теорией флогистона. Так что в Сорбонне он не побывал.
Зато у другого химика-аналитика того времени, Мартина Генриха Клапрота (Martin Heinrich Klaproth; 1743 – 1817) Гадолин многому научился. Свои знания и опыт он блестяще продемонстрировал в 1794 году, исследуя попавший в его руки иттербит.
В иттербите предполагали, содержание нового элемента вольфрама, который был открыт в 1781 году знаменитым шведским химиком Карлом Шееле. Но Гадолин исследовал иттербит и обнаружил в нем соединения магния, железа и кремния, а также неизвестную ранее примесь. Примесь эту он назвал «иттриевой землей». По тогдашней традиции химики называли «землями» тугоплавкие плотные оксиды металлов. Отсюда и пошли такие химические понятия, как «редкоземельные» и «щелочноземельные» металлы.
Обнаруженная «иттриевая земля» походила одновременно и на оксид алюминия, и на оксид кальция. Дальнейшие виртуозные эксперименты с этим веществом привели Юхана Гадолина к открытию нового элемента, который был назван им иттрием. Это открытие произвело сенсацию в научном мире и прославило Гадолина. В 1800 году было даже решено переименовать минерал иттербит в гадолинит.
Гадолин мог бы записать на свой счёт открытие ещё одного элемента, бериллия. Но содержание бериллия в иттриевой земле он не обнаружил. В 1795 году, то есть через год после открытия Гадолина, этот элемент открыл уже упомянутый француз Воклен, производя химический анализ изумрудов и бериллов. Именно второй минерал дал название новому металлу.
Дальнейшие исследования иттриевой земли шведским химиком Берцеллиусом и его сотрудниками привело к открытию в 1803 году ещё одного редкоземельного элемента, церия.
Фейерверк открытий
Но вряд ли кто догадывался, что главные открытия ещё впереди, и что обнаруженная Юханом Гадолином иттриевая земля содержит в себе оксиды ещё семи неоткрытых пока элементов. Причина этого была главным образом в том, что химические свойства редкоземельных элементов очень похожи, поэтому их разделение было непростой задачей для химиков.
По указанной причине следующий редкоземельный элемент, который открыл в 1839 году ученик Берцеллиуса Карл Густав Мосандер, назвали лантаном, что в переводе с древнегреческого означает «скрываюсь». Мосандер проделал очень серьёзную работу аналитического химика. Предположив, что «иттриевая земля» представляет собой смесь окислов различных металлов, в том числе, и ещё неизвестных, он методично удалял из общей смеси уже известные окислы и тщательно исследовал остаток. Таким образом, в 1843 году Мосандеру удалось выделить из «иттриевой земли» ещё два элемента, эрбий и тербий.
Метод Мосандера наметил общий путь выделения редкоземельных элементов, путь очень трудоёмкий и долгий. Исследуемый минерал растворяли в кислотах, а затем этот раствор подвергали многократной кристаллизации. В результате этого маточный раствор обогащался солями, более растворимыми. В осадке же концентрировались менее растворимые соли. Чтобы выделить соединения редкоземельных металлов, надо было последовательно проводить большое числа перекристаллизаций. Исключительно трудоемкая работа! Так, например, для того, чтобы выделить чистые соли тулия учёные произвели перекристаллизацию – ни много, ни мало – 15 тысяч раз.
По причине такой трудоёмкости открытия в области выделения редкоземельных элементов походили на фейерверк. После длительной работы происходил взрыв открытий, затем – длительное затишье, за которым скрывалась тщательная работа, и опять – серия открытий.
Более чем тридцать лет спустя после обнаружения лантана, в 1878 и 1879 годах были открыты ещё четыре элемента. В таблице Менделеева появились : скандий, самарий, гольмий, тулий.
Элемент Тулий назван не в честь русского города Тулы, а по латинскому названию северной Европы, Thule. А вот самарий – это эпоним, связанный с русской фамилией. Поскольку среди названий редкоземельных элементов есть ещё один эпоним, об этой парочке будет рассказано отдельно, в следующем разделе.
В 1885 – 1886 годах были открыты неодим, празеодим, диспрозий и гадолиний. Гадолиний, очевидно, назвали по имени Юхана Гадолина, с исследований которого и началась история поиска редкоземельных элементов, притаившихся в руде, добытой у деревни Иттербю.
Два последних залпа этого химического фейерверка прогремели уже в 20-м веке. В 1907 году были открыты европий и лютеций. После этого многие химики считали, что, наконец-то открыты все редкоземельные элементы. Однако, некоторые придирчивые исследователи указывали, что ещё один элемент должен находиться между неодимом и самарием. Уж больно велика была, по их мнению, разница этих двух элементов в атомной массе. В 1945 году элемент с атомным номером 61 был обнаружен американскими физиками-ядерщиками и назван прометием. Фейерверк открытий, длившийся более чем полтора века, завершился.
Сочтёмся славою!
Вплоть до открытия трансурановых элементов у химиков не принято было называть открытые элементы именами учёных. Первым элементом, названным в честь человека, стал самарий, а вторым – гадолиний.
Самарий был выделен из минерала, который в 1847 году назвали самарскитом в честь полковника Василия Евграфовича Самарского-Быховца (1803 — 1870). С 1846 года он был начальником штаба Корпуса горных инженеров Российской империи. Именно в это время он передал немецкому химику Генриху Розе для анализа новый минерал. Генрих Розе назвал минерал самарскитом, чем, в конечном счёте, обессмертил инженер-полковника.
В 1878 – 1880 годах в самарските был обнаружен новый элемент, который назвали самарием. Это был первый случай в истории химии, когда вновь открытый элемент назвали именем живого человека, а не героя древнегреческих мифов. Чистый металлический самарий был впервые химически выделен только в начале XX века.
В 1880-х годах методы аналитической химии стали дополнять физическими методами анализа, в первую очередь, спектральным анализом. С помощью спектроскопа обнаружили и самарий, и следующий редкоземельный элемент, гадолиний. Таким образом, слава второй раз настигла Юхана Гадолина, и вполне заслуженно. Вряд ли тебя забудут, коль твоё имя занесено в одну из самых знаменитых таблиц мира, таблицу Менделеева!
Немалую долю заслуженной славы получил и городок Иттербю, где был найден образец горной породы, из которой потом химики извлекли почти все редкоземельные элементы. Названия четырёх из них, иттрий, эрбий, тербий и иттербий, образованы от имени собственного Ytterby. Это рекорд, достойный записи в книгу рекордов Гиннесса. Может, он там и записан. Кто интересуется, может проверить.
Городок свою долю славы успешно монетизирует. 20 километров от столицы по хорошей дороге – это недалеко. В Иттербю часто привозят экскурсии, чтобы походить по хорошо оборудованной тропе среди серых валунов на территории старой шахты, а потом выпить пива в баре на Иттриевой улице. Или на Иттербиевой. Этот маленький шведский городок – единственное на планете место, где есть улицы с такими названиями. Стоит сфотографироваться!
