Аркадий Курамшин - Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

57. Лантан

Если внимательно посмотреть на Периодическую систему, можно увидеть, что атомные номера химических элементов в ней идут не непрерывно. В некоторых таблицах после бария с его атомным номером 56 стоит пустая клетка, а после неё идет элемент № 72 — гафний (если таблица отпечатана с учетом требований ИЮПАК от ноября 2016 года), в других (более старых) гафний будет идти не после пустой клетки, а после элемента № 57 — лантана.

В любом случае — две группы по 15 (современная версия Периодической системы) или 14 химических элементов вынесены в отдельные семейства вне рядов и период. Первая такая группа, которую «отпочковал» от Периодической системы в 1921 году Нильс Бор — лантаноиды, а элемент, начинающий группу лантаноидов — лантан. В конце 1980-х годов, когда я постигал неорганическую и прочие химии в стенах Казанского университета, о лантане и лантаноидах нам рассказывали в стилистике рассказа об истории мидян — поскольку непонятно, зачем можно использовать лантаноиды, оставим информацию о них полной тёмных пятен. Прошло три десятка лет, и ситуация изменилась — не знаю, конечно, что рассказывают про лантаноиды первокурсникам на лекциях, но эти элементы и их соединения стали весьма востребованными в современных технологиях от камер смартфонов до плавательных бассейнов.

Но обо всём по порядку — начнём с лантана. Этот элемент был не первый, хотя и один из первых открытых лантаноидов. Первое соединение лантана было открыто шведским химиком Карлом Густавом Мозандером в 1839 году, а первый образец металлического лантана удалось получить только в 1923 году. Лантан неожиданно оказался в минерале церия, с которым работал Мозандер. Появление соединения нового элемента в образце было столь неожиданно для исследователя, что он решил назвать новый элемент лантаном (от греческого «лантано» — скрываюсь от взора. Лантан — один из наиболее активных лантаноидов, он активно реагирует с горячей водой. Лантан вместе с церием и неодимом относится к наиболее распространенным редкоземельным элементам.

В тех областях, в которых применяется лантан, он больше всего напоминает артиста, постоянно исполняющего роли героев второго плана — такие появляются в различных фильмах, постоянно играя разных персонажей и не имея строго амплуа. В настоящее время производство металлического лантана достаточно дёшево, и он часто используется как вспомогательный материал. Небольшие количества лантана добавляют в железо или сталь, при этом понижается их хрупкость, введение лантана в вольфрам позволяет повысить долговечность электродов для дуговой сварки. Кремень зажигалок делают из смеси редкоземельных металлов (мишметалла), и примерно четверть в этой смеси приходится на лантан.

Немалая доля соединений лантана применяется для изготовления стёкол. В течение долгого времени для увеличения коэффициента преломления стекла использовали оксид свинца. Увеличение коэффициента преломления означает, что свет медленнее распространяется в прозрачной среде и меняет направление распространения, попадая из воздуха в стекло, однако в свинецсодержащих стёклах увеличению преломления сопутствует рассеяние света — оптика из свинцовых стекол может быть мутной, что, очевидно, нехорошо. Лантановые стёкла отличаются столь же высоким показателем преломления, как и свинцовые, но меньшим светорассеянием (не говоря уже про то, что замена токсичного свинца на лантан делает процесс стекловарения менее опасным для тех, кто занят при производстве стекла). Стёкла повышенной прозрачности, которые производя, используя оксид лантана, применяются в камерах смартфонах и профессиональных телескопах. Карбонат лантана может применяться и как лекарство при гиперфосфатемии для поглощения избытка фосфатов в организме, и для борьбы с фосфатами водах бассейнов — фосфаты представляют собой хорошие удобрения для сине-зелёных водорослей, и, если не удалить эти анионы из бассейна, он «зацветёт». Ещё одно интересное свойство солей лантана, связанное с изменением цветов — цветная реакция ацетата лантана с йодом, при которой обработанный йодом гель ацетата лантана приобретает тёмно-синий цвет, характерный для йодкрахмальной пробы.

Лантан может быть полезен не только для того, чтобы расширить наши представления о пространстве, глядя в телескоп, но и для расширений наших представлений о времени — он используется в радиоизотопной датировке. Самый известный способ радиодатировки — радиоуглеродный анализ, который проводят с помощью измерения содержания в материале радиоактивного 14С по отношению к стабильным изотопам углерода. Этот метод был предложен лауреатом Нобелевской премии по химии 1960 года Уиллардом Либби в 1946 году. Период полураспада углерода-14 составляет примерно 5700 лет, и где-то через 60 000 лет после прекращения в образце углеродного обмена количество радиоактивного углерода в нём становится столь мало, что заглянуть в прошлое глубже, чем на шестьдесят тысяч лет, с помощью радиоуглеродного анализа невозможно. Тем более невозможно применять радиоуглеродную датировку для образцов неорганического происхождения, например, керамики или скальных пород.

В геологии применяется лантан-бариевая датировка. Она основана на том, что радиоактивный нуклид 138La отличается огромным периодом полураспада — 1,02×10 10лет, образуя при распаде нуклид 138Вa, таким образом измерение соотношений лантана и бария позволяет определить возраст гранита или базальта. Правда, при таком периоде полураспада лантана точность датировки весьма специфична — в одной из статей, посвящённой применению лантан-бариевой датировки, написано, что возраст горной породы был определён с высокой точностью, составлявшей плюс-минус 3.7 миллионов лет.

58. Церий

Первым открытым лантаноидом был церий, и, как это часто было до появления Периодического закона, его открытие было случайным.

Где-то в начале 1800-х годов молодой шведский геолог Вильгельм Хизингер, пополняя коллекцию минералов в поместье своего отца, обнаружил камень, который поразил его неожиданно высокой плотностью. Надеясь, что он обнаружил руду недавно открытого вольфрама, Хизингер направил образец породы Карлу Вильгельму Шееле, который проделал анализы и разочаровал молодого ученого, сказав, что вольфрама в камне нет. Хизингера ответ не устроил, и он продолжил изучать руду совместно с Йёнсом Якобом Берцелиусом. В 1803 году шведские исследователи выделили из образца нерастворимый оксид нового элемента, обладающего металлическими свойствами. Примерно в то же время немецкий аналитик Мартин Клапрот выделил этот же оксид из другого скандинавского минерала. Сообщения Берцелиуса-Хизингера и Клапрота об открытии нового элемента были опубликованы в одном и том же журнале с интервалом в месяц, что, естественно породило споры о том, что же на самом деле был первооткрывателем. Элемент решили назвать в честь самой крупной из малых планет — Цереры, в свою очередь, получившую имя в честь римской богини плодородия. Клапрот настаивал на названии «церерий», но Берцелиус и ряд примкнувших к нему коллег справедливо заметили, что кому-то кроме немцев, такое название будет даваться не без труда, и металл стал церием. Металлический церий удалось получить только в 1870-е годы электролизом его расплавленного хлорида.