Аркадий Курамшин - Элементы: замечательный сон профессора Менделеева

Сам по себе металлический церий, как и много других металлов совершенно невзрачен на вид — обычный серебристо-серый металл, который тускнеет на воздухе из-за окисления и образования оксидной плёнки. Более интересен этот металл, измельчённый в порошок — в особенности порошкообразный сплав церия с железом. Этот материал при ударе или трении разбрасывает во все стороны сноп искр, что и позволяет делать из него кремни для зажигалок или искрящие кухонные ножи для телешоу. Чем это можно объяснить? Церий очень электроположительный металл, который легко отдаёт свои электроны, и при образовании оксида церия (СеО 2) выделяется много энергии, которая и отвечает за появление искр. Оксид церия очень твёрдый — часто его добавляют в искусственный гранит или искусственную каменную облицовку, а абразив на основе оксида церия — политирит, идеален для шлифовки стекла для зеркал или оптических устройств. Оксид тоже ведёт себя не совсем обычно — хотя его называют оксидом церия(IV), и он должен соответствовать формуле CeO 2, в реальности в среднем на один атом церия в этом оксиде приходится немного меньше, чем два атома кислорода — поверхность оксида покрыта многочисленными дефектами, в которых атом кислорода должен был находиться, но на самом деле его нет. Такой, «неправильный» оксид церия применяется в каталитических конверторах легковых и грузовых автомобилей. Проволочная сетка с нанесённом на неё оксидом церия отдаёт свой кислород, окисляя углеводородное топливо во время обеднённой кислородом фазы работы двигателя и пополняет свои кислородные запасы, когда с ней контактирует богатая кислородом топливно-воздушная смесь. Нанопорошок оксида церия, смешанный с дизельным топливом, позволяет добиться более полного сгорания тяжёлых нефтяных фракций и избавить автобусы и грузовые автомобили от их вечных спутников — шлейфов сажи, вырывающихся из выхлопной трубы. Церий находит применение и в медицине — соли этого элемента могут предотвратить симптомы «морской болезни».

59, 60. Празеодим и Неодим

В наше время в Периодической системе нет элемента с названием «дидим» (Di, didymium ), однако этот термин применялся и в те дни, когда Менделеев ранжировал химические элементы, и в наши дни это название, как и символ Di можно найти в статьях, посвящённых химии редкоземельных элементов — под видом элемента-дидима почти полвека скрывалась смесь двух химических элементов — неодима и празеодима.

Конечно, все элементы, относящиеся к группе лантаноидов очень сложно отделить друг от друга — даёт знать колоссальная близость их химических и физических свойств (недаром в предыдущих главах упоминался «мишметалл» — техническая смесь этих элементов, которую нет смысле разделить), но даже среди лантаноидов неодим и празеодим оказались «двоими из ларца, одинаковыми с лица».

В 1839 году Карл Густав Мосандер — шведский врач и химик — заявил об открытии нового химического элемента. По забавной иронии судьбы он назвал это элемент «дидимом» от греческого слова «близнец». Мосандер не предполагал, насколько точно его предложение отражает суть того, что он считает индивидуальным химическим элементом — он просто отметил уникальное, на его взгляд, сходство свойств нового «элемента» с лантаном, что и отразил в названии. То, что название отражает суть открытия, и элемент дидим на самом деле — смесь двух элементов-близнецов, стало ясно позднее, когда об индивидуальности элементов и веществ стали говорить, опираясь не только на их физические и химические свойства, но и на появившийся в результате совместной работы Бунзена и Кирхгофа метода спектроскопии. Выше, характеризуя метод спектроскопии, я уже упоминал о том, что для каждого элемента его спектральный «штрих-код» уникален и неповторим, но при этом не меняется в зависимости от происхождения образца элемента. Почти сразу же после того, как Кирхгоф и Бунзен осознали, какие возможности им дает спектроскоп в открытии новых элементов, они же поняли, что с помощью спектроскопии можно установить, насколько чист тот или иной образец.

В 1870-х годах Бунзен заметил, что спектры образцов соединений дидима, полученных из различных источников различались, и на основании этого предположил, что дидим представляет собой смесь элементов. Решить эту задачу он предложил своему ученику — австрийскому химику Карлу Ауэру фон Вельсбаху. После сотен дробных перегонок в 1885 году фон Вельсбаху удалось выделить из дидима два производных разных химических элементов. Один из элементов, соли которого были окрашены в зелёный цвет, получил название празеодим — «зелёный близнец», второй был назван неодимом — «новым близнецом».

Несмотря на то, что в конце девятнадцатого века дидим оказался двумя элементами, и расширил своё влияние на две клетки Периодической системы, сложности в отделении неодима от празеодима и наоборот приводили к тому, что в ряде случаев на практике применялись не отдельные элементы, а их смесь, которую по старой традиции продолжали называть «дидимом». Наиболее известно «дидимовое стекло» — стекло, которое получают, используя неразделённую смесь оксидов неодима и празеодима. Дидимовое стекло сильно ослабляет линии спектра излучения атомов натрия, и, если их такого стекла изготовить очки для стеклодува, ему будет гораздо проще придавать стеклу требуемую форму. В дидимовых очках стеклодув просто не будет обращать внимание на жёлто-оранжевое свечение раскалённого и размягчающегося стекла.

Разделять празеодим и неодим для практического применения научились только в 1940-х годах (несколько сот дробных перекристаллизаций, которые провел фон Вельсбах для выделения граммовых количеств соединений было достаточно для подтверждения открытия нового элемента, но этот метод явно не подходил для применения чистых неодима и празеодима в промышленных масштабах). В 1940-е годы американские химики во главе с Френком Спеддингом разработали методы ионообменной хроматографии, которые позволили избавиться от утомительных перекристаллизаций и в течение пары лет в лабораторных условиях получить килограммовые количества «зелёного и нового близнецов», сделав возможным их практическое применение уже не в виде «дидима».

Оказалось, что сплавы празеодима с германием и кремнием, обладающие свойствами полупроводников, при понижении температуры ведут себя как сверхпроводящие материалы. Сплавление же неодима, железа и бора позволило получить ферромагнитный материал для изготовления сверхмощных постоянных магнитов, которые применяются не только в электрических моторах и электронных устройствах, но и применяются для размещения магнитных картинок и букв на досках в детских садах и начальной школе.