Группа скандия

«…Скандий, иттрий и лантан… в природе сопровождаются целым рядом других элементов, у всех них столь много общих признаков, что из них давно образовалась особая группа элементов редких земель, названная так по причине сравнительной редкости в природе минералов, из которых извлекают эти элементы, и того обстоятельства, что их солеобразные окислы состава R₂O₃ и RO₂ по виду сходны с такими землями, как СаО и Al₂O₃.»

Д. И. Менделеев. Основы химии.

Группа скандия — самая большая в Периодической системе: формально она включает 32 химических элемента. Получилось так потому, что у каждого из входящих в эту группу лантана и актиния существует по 14 «близнецов» — элементов, сходных с ними по своим химическим свойствам. Поскольку поместить в одну клетку символы «родоначальника» и 14 его «последователей» невозможно, для этих элементов-последователей в Периодической таблице отведены два отдельные строки — лантаноидов и актиноидов. Они будут рассмотрены отдельно, причем в трех разных разделах (большинство актиноидов получено искусственно, и их обычно относят к так называемым трансурановым элементам).

Со скандия в Периодической системе начинается большая группа так называемых переходных металлов. Рассмотренные до сих пор элементы часто называют s-элементами. Все они имеют на внешней валентной оболочке (орбитали) атомов по одному или по два электрона.

Эта внешняя орбиталь имеет форму сферы и традиционно называется s-орбиталью.

Другие орбитали, имеющие иную форму, обозначают латинскими буквами p, d, f и g; так же называют и группы элементов, у которых валентные электроны находятся на таких орбиталях. Эти обозначения много лет назад придумали спектроскописты в соответствии с принятыми когда-то обозначениями различных спектральных линий: «резкая, отчетливая» (sharp), «главная» (principal), «диффузная, размытая» (diffuse),

«основная» (fundamental). Если когда-нибудь будут получены элементы с другой формой валентных орбиталей, их назовут g-элементами (буква g просто следует за буквой f). Первый g-элемент будет иметь номер 121, но пока ни один такой элемент не  известен.

К s-элементам относятся уже рассмотренные щелочные и щелочноземельные элементы, а также водород и гелий. К р-элементам — все остальные неметаллы (и несколько металлов), к d-элементам — самые распространенные металлы; их называют также переходными: они являются «промежуточными» между наиболее химически активными щелочными и щелочноземельными металлами и типичными неметаллами. Наконец, к f-элементам относятся лантаноиды и актиноиды. Для удобства клетки с соответствующими элементами в таблице Менделеева часто окрашивают разными цветами.

А многие из них настолько инертны, что с трудом реагируют с другими элементами и часто встречаются в природе в свободном состоянии (золото, платина, ряд других металлов). Еще одна отличительная особенность переходных металлов: их соединения с другими элементами часто окрашены (s-элементы образуют только бесцветные соединения). Примером соединений переходных металлов всех цветов радуги могут служить: красный йодид ртути, оранжевый дихромат аммония, желтый хромат свинца, изумруднозеленый никелевый купорос, голубые растворы медного купороса и ярко-синие кристаллы этого вещества, фиолетовые кристаллы тиоцианата кобальта.

Скандий

Когда Д. И. Менделеев предложил первый вариант своей таблицы элементов, скандий еще не был открыт. Менделеев оставил для него пустую клетку, назвал его эка-бором и предсказал его свойства. Скандий в виде оксида открыл в 1879 г. шведский химик Ларс Фредерик Нильсон (1840—1899), выделив его из минералов эвксени-та и гадолинита, встречавшегося только на территории Скандинавии. Поэтому скандий и получил такое название.

Скандий — легкий металл (плотность 2,99, почти как у алюминия) и в то же время тугоплавкий: плавится только при нагреве до белого каления, при 1541 °С. Скандий — первый из так называемых редкоземельных элементов (к ним относятся также иттрий, лантан и лантаноиды). На самом деле скандий вовсе не редок: в земной коре его больше, чем олова. Но скандий относится к так называемым рассеянным элементам. Это значит, что он присутствует во многих минералах, но в очень маленьких количествах, а собственных минералов, из которых его можно было бы добывать в больших количествах, не существует. Так что скандий получают попутно при добыче алюминия, урана, вольфрама, олова, циркония, ряда других металлов, а также угля. В результате ежегодное производство скандия исчисляется всего несколькими тоннами.

В чистом виде металлический скандий был получен только в 1937 г. Этот металл используется в основном для получения сплавов с алюминием. Например, ракета с носовой частью из такого сплава может пробить полярный лед, если ее выпустит находящаяся под ним подводная лодка. Из скандий-алюминиевых сплавов делают очень прочные и легкие бейсбольные биты и другие спортивные товары. Добавка йодида скандия делает свет газоразрядных ламп близким к солнечному. С увеличением производства этого ценного металла его применение будет расширяться.

Иттрий

В 1787 г. лейтенант артиллерии шведской армии и минералог-любитель Карл Аксель Аррениус (1757—1824) проводил поиски интересных камней в карьере, где когда-то добывали полевой шпат. Карьер находился около небольшого шведского городка Иттербю на острове Ресаре близ Стокгольма. Там Аррениус нашел новый темный минерал, который он назвал иттербитом. Аррениус послал иттербит в университет города Або молодому финскому химику Юхану Гадолину (1760—1852). Изучая этот минерал, Гадо-лин в 1794 г. выделил из него неизвестную «землю» — оксид нового элемента. Шведский химик и минералог Андерс Густав Экеберг (1767—1813) назвал в 1797 г. эту «землю» иттриевой (yttria). Позднее минерал переименовали в гадолинит, а содержащийся в нем элемент назвали иттрием.

Спустя почти полвека, в 1843 г., шведский химик Карл Густав Мосандер (1797— 1858) показал, что «иттриевая земля» — это смесь трех оксидов. Аналогично тому, как «расщепили» эту смесь, появились и названия: иттербий, тербий и эрбий.

Сам Мосандер сумел выделить в чистом виде эрбиевую и тербиевую земли — оксиды эрбия и тербия; чистый оксид иттербия выделил в 1878 г. швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817—1894), которому и принадлежит честь открытия этого элемента. А в честь Гадолина был назван элемент гадолиний — первый из 15 элементов, названных в честь ученых. В Иттербю расположен музей с экспозицией, рассказывающей об истории каменоломни.

Иттрий — типичный металл. Он плавится при 1526 °С, почти при той же температуре, что железо, его плотность 4,47 г/см3 (здесь он близок к титану). Широкой публике этот элемент стал известен, когда был синтезирован ювелирный камень — иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ). На основе кристаллов ИАГ работают лазеры, а также светодиоды, излучающие белый свет. Керамика на основе иттрия переходит в сверхпроводящее состояние при температуре минус 180 °С; ни один металл или сплав не может похвастаться такой высокой температурой перехода.

Лантан и лантаноиды

Соседи иттрия по третьей группе — лантан и актиний. Следующие за лантаном 14 элементов по химическим свойствам настолько похожи на лантан, что химики долго не знали, как их разместить в таблице элементов. Недаром название этих элементов — лантаноиды, что в переводе с греческого значит «сходные с лантаном». Было предложено поместить их все в одну клетку с лантаном и в этой клетке написать номера элементов: 57-71. А чтобы иметь возможность написать символы и названия элементов, «растянуть» эту клетку, превратив ее в ряд лантаноидов. Так же поступили и с актиноидами, элементами, имеющими номера с 89-го (актиний) по 103-й (лоуренсий). В результате отдельно от основной таблицы появились два «дополнительных» ряда — лантаноидов и актиноидов. Иногда поступают иначе: «раздвигают» таблицу между элементами 57 (лантан) и 89 (актиний) с одной стороны и элементами 72 (гафний) и 104 (резерфордий) — с другой и в этот промежуток помещают все лантаноиды и актиноиды. В результате все эти элементы оказываются внутри основной сильно растянутой таблицы.

Казалось бы, сходными должны быть и другие «качества» этих элементов. Однако содержание этих элементов в земной коре (кларки) и их стоимость указывают на разительное «неравноправие».

Четко обнаруживается уже обсуждавшийся ранее четнонечетный эффект: элементы с нечетным номером более редкие и более дорогие, иногда намного. Интересно, что большинство лантаноидов, открытых в XIX веке, были обнаружены всего в двух минералах: церите и гадолините. В первом из них нашли церий, лантан, празеодим, неодим, самарий и европий. Во втором — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.

Трудности открытия этих элементов были связаны с их очень близкими химическими свойствами, так что для разделения этих элементов потребовалось большое искусство многих химиков. В результате открытие лантана и всех его 14 «последователей» потребовало более ста лет.

Аномалии для европия и иттербия объясняются другой кристаллической структурой: у этих двух металлов она кубическая, у других — более плотная гексагональная. Стоящие рядом в Периодической таблице гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий и эрбий отличаются редким для металлов свойством — ферромагнетизмом. Ферромагнетики сохраняют намагниченность и в отсутствие внешнего магнитного поля. Таким свойством, кроме этих металлов, обладают только железо, кобальт и никель. Но у лантаноидов очень низкая точка Кюри — критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, поэтому сделать из них постоянные магниты не удастся. Например, для тербия точка Кюри находится при температуре -50 °С, для диспрозия, гольмия и эрбия она еще ниже, и только гадолиний теряет магнитные свойства при нагреве выше 20 °С. Для сравнения: железо остается магнитным при нагреве до 770 °С, кобальт — до 1130 °С.

Лантан

В конце XVIII века в минералах церите и иттербите (га-долините) была обнаружена новая «земля», названная иттриевой. В 1803 г. шведский химик Й. Я. Берцелиус и немецкий химик Вильгельм Хизингер (1766—1852) обнаружили в церите еще одну «землю», которую назвали цериевой. Из этих «земель» впоследствии выделили оксиды ряда редкоземельных элементов. Один из них, открытый в 1839 г.

921 шведским химиком К. Мосандером, по предложению Берцелиуса назвали лантаном — от греч. lanthano — остаюсь незамеченным, скрываюсь: новый элемент десятки лет «прятался» от химиков.

В 1842 г. Мосандер понял, что открытый им лантан — это не один элемент, а несколько. За одним он оставил название «лантан», а второй назвал дидимом (от греч. didymos — близнец). Затем оказалось, что «близнец» — это смесь, причем уже трех элементов: неодима, празеодима и самария.

Как и все лантаноиды, родоначальник этой серии, лантан, — сравнительно мягкий и химически активный металл. Его применяют для изготовления металлогидридных аккумуляторов: в гибридном электромобиле может быть до 15 килограммов этого элемента. Способность лантана поглощать большие объемы водорода используют для компактного и безопасного хранения этого газа. Лантан применяют при изготовлении высококачественных стеклянных линз, светящихся составов. Растет применение лантана как компонента катализаторов в нефтепереработке. Цена на оксид лантана для каталитического крекинга жидких топлив растет с каждым годом.

Церий

В 1801 г. итальянский астроном Джузеппе Пиацци (1746—1826) открыл первую малую планету Солнечной системы — астероид. Его орбиту рассчитал выдающийся немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (1777— 1855). Астероид назвали Церерой — в честь римской богини плодородия (в Греции ее звали Деметрой). Вскоре Й. Я. Берцелиус и одновременно и независимо немецкий химик Мартин Клапрот (1743—1817) открыли (в виде оксида) новый химический элемент. Его назвали церием — в память о совершенном незадолго до этого выдающемся астрономическом открытии.

Этот элемент оказался первым из элементов-лантаноидов и самым распространенным среди них. Металлический церий обладает удивительным свойством: если проволоку из него поскрести ножом, то образующиеся мельчайшие пылинки металла самовоспламеняются на воздухе (такое свойство металла называется пирофорностью, от греч. pyr — огонь и phoros — несущий). Если же внести в пламя саму цериевую проволоку, она сгорает ослепительным пламенем, превосходя по яркости горящий магний.

Это свойство церия использовал австрийский химик Карл Ауэр фон Вель-сбах (1858—1919), который разработал состав для «кремниевых» зажигалок.

В его основе — церий в сплаве с другими металлами (так называемый мишметалл, от немецкого mischen — смешивать). Небольшой кусочек такого металла при ударе (или энергичном трении о стальное колесико) дает множество искр, которые легко поджигают фитиль. При сплавлении церия с некоторыми металлами происходит бурная реакция с выделением большого количества теплоты. Поэтому, если внести кусочки или порошок церия в расплавленный цинк, произойдет яркая вспышка и сильный взрыв.

Церий, в отличие от многих других лантаноидов, может изменять валентность. Это свойство позволило генералу, военному химику Борису Павловичу Белоусову (1893— 1970) открыть в 1951 г. принципиально новый класс химических реакций — автоколебательных (сейчас они носят его имя). В его опытах (в которые никто вначале не верил, а научные журналы отказывались от публикации) подкисленная смесь бромата калия, лимонной или малоновой кислоты и сульфата церия периодически самопроизвольно изменяла цвет.

В металлургии небольшие добавки церия значительно увеличивают прочность алюминия и некоторых других металлов. Диоксид церия используется как катализатор в химической промышленности. Это вещество является основой лучшего порошка для качественной полировки оптического стекла.

Празеодим и неодим

В 1841 г. К. Мосандер разделил «лантановую землю» на два компонента. Одна из них была уже известным оксидом лантана. Другую землю, очень на него похожую, назвали дидимовой, от греч. didimos — близнец. В 1882 г. К. Ауэр фон Вельсбах методом спектрального анализа обнаружил в «дидимовой земле» два новых элемента. Один из них давал соли зеленого цвета, и этот элемент Ауэр назвал празеодимом, т.е. «зеленым близнецом» (от греч. prasinos — светло-зеленый). Второй элемент давал соли розово-красного цвета, его назвали неодимом, т. е. «новым близнецом». Празеодим и неодим используются для получения катализаторов в нефтеперерабатывающей промышленности и в автомобильных конвертерах (катализаторах дожига), в магнитных сплавах.

«Дидимом» покрывают оптические стекла и светофильтры, солнцезащитные очки — для поглощения ультрафиолетового и желтого участков спектра. Неодим — компонент (вместе с железом и бором) очень сильных постоянных магнитов: представьте себе магнит, легко умещающийся на ладони, который может удержать полтонны! Неодимовые магниты, работающие в разнообразных приборах, за 10 лет работы теряют всего 1—2% своей намагниченности.

Прометий

Этот элемент много раз «открывали» в различных минералах — в поисках недостающего редкоземельного элемента, который должен был занимать место между неодимом и самарием. И называли иллинием (в честь Ил-линойского университета), флоренцием (в честь Флорентийского университета), ци-клонием (в результате попыток получения нового элемента в циклотроне). Но эти открытия не были подтверждены.

Впервые недостающее звено в цепи лантаноидов обнаружила в 1945 г. группа американских исследователей: Джекоб Маринский, Лоуренс Гленденин и Чарлз Кориэлл. Они с помощью хроматографии разделили продукты деления урана в ядерном реакторе и обнаружили среди них новый элемент. Стала понятна неудача поисков природного элемента: все изотопы прометия радиоактивны со сравнительно небольшим временем жизни. Период полураспада самого долгоживущего, прометия-146, составляет 5,5 лет. Жена Кориэлла предложила назвать новый элемент прометием, по имени Прометея, похитившего у богов огонь и передавшего его людям.

В земной коре прометия меньше 1 кг. Он образуется при распаде радиоактивных элементов и присутствует в виде следов в их минералах. Первый образец металлического прометия был получен в 1963 г.; его выделили из продуктов деления в ядерных реакторах. Применяют прометий-147 как источник энергии на космических кораблях.

Самарий

В середине 40-х гг. XIX века начальник штаба Корпуса горных инженеров Василий Евграфович Самарский-Быховец (1803—1870) предоставил немецкому химику Генриху Розе (1795—1864) для исследования образцы черного уральского минерала, найденного в Ильменских горах. Незадолго до этого минерал исследовал брат Генриха, немецкий минералог и кристаллограф Густав Розе (1798—1873), и назвал его уранотанталом. Генрих Розе предложил переименовать минерал и назвать его самарскитом; как писал Розе — «в честь полковника Самарского, по благосклонности которого я был в состоянии производить над этим минералом все изложенные наблюдения».

Присутствие в самарските нового элемента доказал только в 1879 г. французский химик Поль Эмиль Лекок де Буабодран (1838—1912), он и назвал этот элемент самарием. Это был первый случай, когда химический элемент назвали в честь реального человека (хотя и через «посредство» минерала). Самарий применяют для получения катализаторов, расщепляющих ядовитые хлорорганические соединения. Из сплава самария с кобальтом можно сделать очень сильный постоянный магнит. Самарий эффективно захватывает нейтроны, что используется для управления цепной реакцией в ядерных реакторах.

Европий

В 1886 г. английский физик и химик Уильям Крукс (1832—1919), специалист в области спектрального анализа, исследуя минерал самарскит, обнаружил в его спектре новую линию. Такую же линию он наблюдал, изучая смесь иттербиевой и самариевой «земель». Можно было подозревать, что эта линия принадлежит неизвестному элементу, но для открытия этих наблюдений было недостаточно. В 1892 г. Лекок де Буабодран, давно изучавший соединения самария, также обнаружил в них линию, которую наблюдал Крукс. Наконец, французский химик Эжен Анатоль Демарсе (1852—1903) разработал метод разделения редкоземельных элементов и в результате кропотливой работы сумел выделить из смеси лантаноидов не известный ранее элемент. Это открытие было подтверждено спектральным анализом в 1901 г., когда Демарсе и дал новому элементу название европий, в честь Европы. Как известно, эта часть света была названа в честь мифической Европы, дочери финикийского царя, которую похитил Зевс, обернувшийся быком, и приплыл с ней на остров Крит, то есть в современную Европу.

Похищение Европы Зевсом изображено на греческой монете 2 евро. Применение нашел оксид европия: под действием ультрафиолетового излучения он светится ярко-красным светом. Европий используют при изготовлении экранов цветных телевизоров.

Гадолиний

В 1794 г. финский химик и минералог Юхан Гадолин обнаружил в минерале, найденном вблизи Иттербю, оксид неизвестного металла. В 1879 г. Лекок де Буабодран назвал этот оксид «гадолиниевой землей». В 1880 г. швейцарский химик Жан Мариньяк методом спектрального анализа доказал, что в этой «земле» присутствует 6,2 новый элемент, названный гадолинием. Наконец, в 1886 г. 787 Лекок де Буабодран выделил препарат нового элемента 1313 и дал ему название гадолиний — по минералу, из которого он был получен. Как и самарий, гадолиний хорошо поглощает нейтроны, что используется в ядерных реакторах. Синтетические гадолиниевые кристаллы (гранаты) используются в лазерах. Интересное свойство солей гадолиния — их охлаждение при размагничивании. Это свойство позволило получить сверхнизкие температуры, почти не отличающиеся от абсолютного нуля.

Тербий

В 1843 г. Карл Мосандер открыл в минерале гадоли-ните два новых элемента. Он назвал их тербием и эрбием. Эти элементы часто путали, а в 1860-е гг. их названия поменяли местами — редчайший случай в истории химии. Более того, в 1886 г. Жан Мариньяк показал, что тербий («эрбий Мосандера») на самом деле является смесью двух элементов: гадолиния и «настоящего» тербия. Соединения тербия используются в качестве люминофора: они светятся желто-зеленым светом, что используется в люминесцентных лампах.

Диспрозий

Так Лекок де Буабодран назвал открытый им в 1886 г. в оксиде гольмия редкоземельный элемент. По-гречески disprositos — труднодоступный: ему потребовалось много поработать, чтобы получить наконец сравнительно чистый небольшой образец оксида диспрозия. Применяют диспрозий в качестве добавок к сплавам цинка и циркония. Его оксид — компонент люминофоров, светящихся красным светом. Вместе с неодимом используется в производстве сильных постоянных магнитов.

Гольмий

В 1879 г. швейцарский химик и физик Жак Луи Сорэ (1827—1890) методом спектрального анализа обнаружил в «эрбиевой земле» новый элемент. Название ему дал шведский химик Пер Теодор Клеве (1840—1905) в честь Стокгольма (его старинное латинское название Holmia), так как минерал нашли близ столицы Швеции.

Эрбий

Вначале эрбием называли тербий. Потом химики выяснили, что и «эрбий», и «тербий» — это смеси двух элементов. В 1879 г. Клеве показал, что оксид, который считался соединением эрбия, содержит оксиды тулия и гольмия. Оксид эрбия используют в ядерной энергетике, в производстве лазеров; его добавляют в расплавленный кварц, из которого вытягивают оптическое волокно. Оксид эрбия окрашивает ювелирные фианиты в розовый цвет.

Тулий

Тулий, как и лютеций, — наименее распространенный из лантаноидов. В то же время его в земной коре в сотни раз больше золота. Тулий был открыт Клеве (в виде оксида) в 1879 г. одновременно с гольмием. Клеве хотел назвать новый элемент, как и гольмий, в честь своей родины, но придумал необычное название.

0,5 Туле (Thule) — в Средние века 9,33 так называли северную часть Ев-1545 ропы — Исландию или же северозапад Шведско-Норвежских объединенных королевств (уния Норвегии со Швецией была разорвана только в 1905 г.).

Клеве считал, что Туле — это вся Скандинавия, и к тому же по ошибке он написал Thullium, с удвоенной согласной.

Сейчас слово Thule можно увидеть в названии известной шведской автомобильной фирмы. Тулий применяется в рентгеновских портативных установках. После облучения оксида тулия нейтронами в ядерном реакторе образуется 170Tm с периодом полураспада 128,6 сут. Этот радионуклид испускает мягкое гамма-излучение, энергия которого близка к рентгеновскому, что удобно для диагностики больного, который по каким-то причинам не может приехать в клинику.

Иттербий

Иттербий открыл в 1878 г. Жан Мариньяк, использовав для этого спектральный метод. Впоследствии Ларс Нильсон показал, что «иттербий Мариньяка» — это на самом деле два элемента: собственно иттербий и редкоземельный элемент (но не лантаноид) скандий. В 1907 г. французский химик Жорж Урбен (1872—1938) показал, что даже «очищенный иттербий» Нильсона содержит еще один элемент, который он назвал лютецием. О трудностях разделения лантаноидов свидетельствует тот факт, что чистый иттербий впервые получили только в 1953 г. Иттербий применяется как легирующая добавка к нержавеющей стали, в производстве лазеров и солнечных батарей. Вместе с эрбием его используют для защиты банкнот от подделок: иттербий сенсибилизирует эрбий, и тот светится в инфракрасных лучах красным или зеленым светом.

Лютеций

Лютеций — последний (по расположению и по году открытия) и самый редкий лантаноид. Его открыл (в виде оксида) французский химик Ж. Урбен в 1907 г. Название он произвел от старого латинского названия Парижа — Lutetia Parisorum (Лютеция была главным городом галльского племени паризиев). В том же году лютеций независимо открыли Ауэр фон Вельсбах и американский химик Чарльз Джеймс (1880—1928). Соединения лютеция используются в инфракрасных лазерах. Они служат катализаторами в химической промышленности для крекинга углеводородов нефти. Силикат лютеция используется в ядерной медицине как чувствительный датчик частиц высокой энергии.

Актиний и актиноиды

Как за лантаном в Периодической таблице следуют 14 элементов-лантаноидов, так и за актинием следуют 14 элементов-актиноидов. Самый известный из них — элемент №92, уран, последний и самый тяжелый элемент, известный Д. И. Менделееву. Еще в середине 1950-х гг. в учебниках уран располагали в Периодической таблице под вольфрамом. Но со временем «родственников» актиния становилось известно все больше.

И тогда в таблицу элементов ввели отдельную группу актиноидов, аналогичную группе лантаноидов, как это предлагал американский физик Гленн Сиборг (1912—1999). В результате уран переместился в отдельную группу актиноидов. Все актиноиды радиоактивны; периоды полураспада их самых долгоживущих изотопов составляют от 14 миллиардов лет для тория-232 (элемент №90) до 10 ч. для лоуренсия-265 (элемент №103, последний актиноид). Элементы тяжелее урана были получены искусственно и будут рассмотрены отдельно как «трансурановые элементы».

В природе существует три так называемых радиоактивных ряда, начинающихся с урана (двух его изотопов) и тория. Радиоактивный ряд — это цепочка ядерных превращений, которая начинается с относительно долгоживущего изотопа урана или тория и заканчивается стабильным изотопом свинца. В этой цепочке одни нуклиды испускают а-частицы, другие — b-частицы. Альфа-частица — это ядро атома гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона), американский физик.поэтому, когда она вылетает из ядра, его заряд уменьшается на 2 (сдвиг на две клетки влево в таблице элементов), а масса уменьшается на 4. При бета-распаде нейтрон в ядре самопроизвольно превращается в протон, электрон и невесомую частицу антинейтрино. Электрон и антинейтрино выделяются с большой скоростью из ядра, а протон в нем остается. В этом случае масса ядра не меняется (массы протона и нейтрона очень близки), а заряд увеличивается на 1 (сдвиг на одну клетку вправо в таблице элементов).

Ряд тория начинается с тория-232, возраст которого совпадает с предполагаемым возрастом Вселенной. Этот ряд заканчивается стабильным свинцом-208.

Ряд урана, он же ряд радия, начинается с урана-238. Его родоначальник — самый долгоживущий изотоп урана, период полураспада которого по случайному совпадению приблизительно равен времени существования Земли. Значит, когда наша планета образовалась, на ней было вдвое больше урана. Ряд урана заканчивается другим стабильным изотопом свинца — свинцом-206.

Третья природная цепочка радиоактивных превращений, которая исторически называется рядом актиния, начинается с другого долгоживущего изотопа урана, 235U. В этом ряду конечным продуктом является свинец-207. Таким образом, из четырех стабильных изотопов свинца три образуются в виде продуктов радиоактивных рядов. В результате изотопный состав свинца в разных минералах различен.

Актиний и протактиний

Но излученье все нарастало.
Как разноцветно, как ярко стало.
Как ленты спектра горят на призмах!
Какой? Который здесь — чистый торий?
Актиний? Литий?

С. Кирсанов

 

Название этим радиоактивным элементам было дано по аналогии с радием: по-гречески aktis (родит. падеж aktinos) — луч: эти элементы сильно радиоактивны, а актиний даже светится в темноте. Актиний в природе находится в очень малых количествах в урановой руде. Там его и обнаружил в 1899 г. французский физик и химик А. Л. Дебьерн. Природный актиний представлен единственным нуклидом ²²⁷Ас с периодом полураспада 21,8 лет. В лабораториях получено еще несколько десятков изотопов актиния с периодами полураспада от 10 суток до миллиардных долей секунды.

В свободном виде актиний реагирует с водой с выделением водорода.

Очень высокая радиоактивность актиния затрудняет определение его физических свойств. Изотопы актиния применяют в научных исследованиях и в медицине.

Существование протактиния предсказал в 1871 г. Д. И. Менделеев. Открыт же он был в 1913 г. работавшим в США польским физиком Казимиром Фаянсом (1887—1975) и его помощником немецким физиком Отто Освальдом Герингом (1892—1969).

Они назвали этот элемент бревием (от лат. brevis — короткоживущий).

У протактиния, в отличие от актиния, есть сравнительно долгоживущий изотоп 231Pa, с периодом полураспада 32 760 лет, поэтому свойства этого элемента изучены лучше. Это твердый светлосерый металл, на воздухе покрывается пленкой оксида, при нагревании реагирует с водородом.

Хотя протактиний был открыт намного позже актиния, однако в природном радиоактивном ряду актиния (который начинается с урана-235) протактиний стоит раньше; отсюда и его название — от греческого protos — первый, исходный, начальный.

Торий

В 1828 г. Й. Я. Берцелиус обнаружил в редком минерале, присланном ему из Норвегии, соединение нового элемента, который он назвал торием — в честь древнескандинавского бога-громовержца Тора. Торий радиоактивен; период его полураспада — 14 млрд лет, конечный продукт распада — свинец. По соотношению образовавшегося свинца и оставшегося тория в минерале можно определить его возраст. Так, возраст циркона, найденного в штате Вирджиния (в нем было немного тория), оказался равным 1,23 млрд лет.

В конце XIX века соединения тория нашли неожиданное применение. Австрийский химик К. Ауэр фон Вельсбах обнаружил, что нитрат тория после прокаливания превращался в очень тугоплавкий (температура плавления 3350 °C) и ярко светящийся в пламени диоксид тория. Это позволило ему разработать лампу для освещения, дающую ослепительно яркий белый свет. В ней пламенем горелки раскалялся до белого каления «ауэровский колпачок» — прокаленная сеточка из ткани, пропитанной солями тория с добавкой 1% церия. В первые годы ауэровские горелки успешно конкурировали с электрическим освещением. К моменту смерти изобретателя в 1929 г. было изготовлено около пяти миллиардов ауэровских колпачков!

Торий — редкий элемент. Для его добычи в Бразилии в конце XIX века были начаты разработки месторождения монацитового песка. Монацит — важнейший источник и редкоземельных элементов, и тория. В монаците содержится от 2,5 до 12% тория. Вначале Ауэр, чтобы не платить пошлину, указывал, что монацитовый песок используется просто как балласт для кораблей, плывущих в Европу. Когда хитрость раскрылась, ему пришлось платить бразильскому правительству немалую пошлину за вывоз ценного минерала.

Уран

«Уран… редко встречается в природе. Урановая слюд-ка… урановый купорос, самарскит и евксенит, также содержащие уран, встречаются очень редко и в малых количествах. Чаще и в больших количествах находят некристаллическую землистую, бурую (уд. вес 7,2) урановую смоляную руду, содержащую преимущественно промежуточный окисел… Эта руда добывается в Иоахим-стале (в Богемии) и в Корнвалисе (в Англии).»

Д. И. Менделеев. Основы химии.

Издавна немецкие рудокопы находили в серебряных копях тяжелую черную руду со смоляным блеском. Никакого металла из нее выплавлять не удавалось, и ее называли Pechblende, от нем. Pech — смола и blende — обманывать. Такое название сохранилось за минералом и в русском языке: смоляная обманка. По составу это оксид урана.

В 1781 г. английский астроном Уильям Гершель (1738—1822) открыл новую планету, которую назвали Ураном — по имени древнегреческого бога неба Урана, деда Зевса. В 1789 г. немецкий химик М. Г. Клапрот выделил из смоляной обманки черное тяжелое вещество, которое он принял за металл и по традиции алхимиков «привязал» его название к недавно открытой планете. Позднее выяснилось, что Клапрот получил не сам уран, а его черный оксид.

Это вещество использовали для окраски стекла. Такое стекло, само по себе желтое, на солнечном свету флуоресцирует и становится ярко-зеленым. Флуоресценция солей урана помогла французскому физику Антуану Анри Беккерелю (1852—1908) открыть в 1896 г. явление радиоактивности.

Металлический уран получил в 1841 г. французский химик Эжен Мелькьор Пелиго (1811—1890). Это один из самых тяжелых металлов, его плотность близка к плотности золота. Уран — не очень редкий элемент: в земной коре его больше, чем брома, олова, мышьяка, молибдена и вольфрама, в 35 раз больше, чем серебра. Уран образует десяток собственных минералов, а среднее его содержание в руде может превышать 0,5%. В граните содержание урана в десять раз выше среднего, поэтому на облицованных гранитом набережных радиационный фон слегка повышен. Но не от самого урана, а от более активных продуктов его распада.

Больше всего урана-238 — почти 99,3%, урана-235 всего 0,7% (период полураспада 700 миллионов лет) и совсем мало — тысячные доли процента — урана-234 (период полураспада около 250 тысяч лет, он является промежуточным продуктом распада урана-238). Именно уран-235 — делящийся ядерный материал: при попадании

нейтронов в его ядра они расщепляются на два осколка с высвобождением новых нейтронов, которые расщепляют другие ядра. Возникает цепная реакция. Расщепление ядер даже в небольшом количестве вещества сопровождается выделением огромной энергии — в виде неуправляемого взрыва атомной бомбы (урановая бомба была сброшена на Хиросиму) или в виде тепловой энергии на АЭС, если скорость процесса контролируется. Химические свойства изотопов урана идентичны, поэтому «обогатить» уран, т. е. отделить даже в небольшой степени 235U от 238U, — очень сложная технологическая задача. Для работы реактора на АЭС достаточно обогащения от 3 до 20%. Если в реакторе для торможения нейтронов используют тяжелую воду, требуется меньшее обогащение урана.

Для изготовления бомбы нужно уже 90%-ное обогащение изотопом 235U. Для разделения изотопов урана используют небольшую разницу в их массах. Для этого уран переводят в летучий фторид и дальше газ либо пропускают через мембрану с очень мелкими порами (легкие молекулы проходят через нее чуть быстрее), либо помещают в центрифугу, вращающуюся с большой скоростью (тяжелые молекулы в большей степени отбрасываются к стенкам). Разработаны и так называемые реакторы на быстрых нейтронах, которые позволяют использовать необогащенный уран-238.

Число ядерных реакторов во всем мире исчисляется сотнями, а мировое производство урана в 2012 г. составило 66,5 тысяч тонн, из которых лишь несколько процентов идет на военные цели. Причем потребление урана в этом году превысило 70 тысяч тонн — за счет накопленных ранее запасов.

Уран, как и большинство тяжелых металлов, ядовит, являясь общеклеточным ядом. В организме среднего человека содержится обычно около 0,1 мг урана, который попадает в него с пищей (около 1 мкг в сутки).