В память успеха астрономии

58. Церий — Cerium (Ce)

Еще в начале XVII в. астрономы обратили внимание на своеобразный пробел, существовавший между орбитами Марса и Юпитера. Сущность этого пробела заключалась в том, что в то время как орбиты Меркурия, Венеры, Земли, Марса располагались в пространстве сравнительно тесно, близко одна к другой, за Марсом до Юпитера, на расстоянии, более чем в два раза превышающем расстояние от Солнца до Марса, не было известно ни одной планеты. Этот небесный «непорядок» волновал астрономов. Они полагали, что в пространстве между Марсом и Юпитером должна существовать неизвестная планета. Астрономов, ставивших целью отыскание неизвестной планеты, в шутку называли «отрядом небесной полиции». И вот одному из его «членов» итальянцу Дж. Пиацци 1 января 1801 г. посчастливилось открыть самую большую, как выяснилось впоследствии, из множества других малых планет солнечной системы. Ее назвали Церерой, позаимствовав это название из древнеримской мифологии, в которой Церерой именовали богиню земледелия и плодородия.

Вскоре (1803 г.) Клапрот в Берлине, Берцелиус и Гизингер в Стокгольме в минерале из шахты Бастнес у Ридаритта открыли новый элемент, который был назван церием в честь успеха астрономии, а минерал, его содержащий, — цереритом, или церитом. Через три года была выделена чистая «цериевая земля». Выделить церий в относительно чистом виде удалось лишь в 1825 г. Подчеркиваем, в относительно чистом!

Несколько лет назад в литературе даже температура плавления металлического церия указывалась как неопределенная; одни авторы сообщали цифру в 640°, другие — 775°, а третьи — даже 815 °C. Это говорило о малом интересе к металлу, а отсюда, как следствие, — малой изученности.

Церий, как и остальные лантаниды, является элементом рассеянным, хотя в земной коре его содержится в 5 раз больше, чем, например, свинца, и в 250 раз больше, чем серебра. Практическое значение имеет единственный относительно богатый церием «минерал» — монацитовый песок. Монацитовый песок представляет собой смесь солей, образованных лантанидами, главным образом церия, лантана и иттрия с фосфорной кислотой.

Совсем недавно церий получали как побочный продукт из монацитового песка Бразильских, Каролинских (в США) и других месторождений. СССР также обладает месторождениями редких минералов, в составе которых имеется церий. При разработке современных методов получения относительно чистого церия выяснилось, что этот металл обладает рядом ценных свойств, которые и обеспечили новые области его применения. Оказалось, что церий хорошо соединяется с кислородом, азотом и водородом.

При выплавке стали в жидком металле остается некоторое количество окислов и растворенного азота. Если их не удалить, то при затвердевании между кристаллами металла расположатся эти окислы и сталь будет хрупкой. В практике сталеварения для уменьшения количества газов и окислов в стали уже давно применяют алюминий, у которого очень большое сродство к кислороду. У церия это сродство еще больше. Поэтому церий в виде сплава с железом или в виде так называемого мишметалла, что в переводе с немецкого означает «смешанный металл», используется как раскислитель в металлургии. Прибавка церия к алюминию (около 0,2 %) повышает электропроводность алюминия и улучшает его механические свойства. Добавление церия к вольфраму облегчает получение из него проволоки. Небольшая добавка церия к чугуну изменяет форму свободного графита в самом чугуне.

Этот сильнейший восстановитель позволяет получать ниобий, вольфрам и другие металлы в чистом виде.

Подобно алюминию, церий на воздухе покрывается тонкой пленкой окисла, которая в известной мере защищает металл от дальнейшего окисления. Достаточно слабой кислоты, чтобы растворить эту пленку. Вместе с тем прокаленная двуокись церия совершенно нерастворима в кислотах, обладает большой твердостью и представляет прекрасный материал для шлифовки оптического стекла.

Полирит — порошок для полировки стекла — состоит почти наполовину из двуокиси церия. Вторую половину составляют окислы лантана, неодима и празеодима. Только за счет применения полирита производительность шлифовальных машин за последние пять лет увеличилась в два раза.

Двуокись церия применяется в стекольном производстве. Соединения церия применяются в фотографии, используются как катализаторы при переработке нефти, в производстве пластмасс, искусственных волокон, протравливании тканей, дублении кож и т. д.

Если десять лет назад о церии говорили как о металле зажигалок, то теперь — это металл реактивных двигателей, авиационных сплавов и даже зубных протезов. Условия, в которых работают лопасти турбин в реактивных двигателях, очень тяжелые. Огромные скорости вращения и чудовищные центробежные силы в сочетании с температурами в тысячи градусов на заре развития реактивных двигателей приводили к тому, что турбину меняли через каждые десять тысяч километров полета (Москва — Владивосток). Благодаря применению кобальтовых сплавов с добавкой церия «жизнь» турбин увеличена в десятки раз.

А вот еще один пример: легкий металл современной авиации — магний — легко воспламеняется, поэтому магниевые сплавы могут вспыхнуть при температуре выше 150 °C. Известно, что церий также легко воспламеняется (зажигалка), а сплав магния с добавкой церия имеет повышенную жаростойкость.

Как видите, простое сложение свойств и в этом случае — нелепость.

Несколько слов о зажигалках. Многим доводилось видеть или пользоваться этим несложным приспособлением для получения огня. Короткий поворот колесика с насечкой, и на фитиле затрепетало пламя горящего бензина. «Кто» зажег фитиль? Тот самый мишметалл, о котором уже упоминалось. Мишметалл состоит из церия, а также из железа и других элементов семейства лантанидов. Такой металл обладает пирофорными свойствами, т. е. при откалывании от него мельчайших осколков они самовоспламеняются на воздухе.

Следует отметить существование металлического церия в различных аллотропных формах.

Исключая лантан, церий из всей группы лантанидов обладает наиболее высокой температурой кипения (3600 °C).

А теперь о зубах, болезнях и … церии; протезы зубов изготавливают из нержавеющих сталей со структурой кристаллов аустенитного класса. Их получают путем добавки церия к хромоникелевой стали, которая, как известно, трудно обрабатывается. Благодаря церию эта сталь в руках протезиста бывает мягкой, как … медь до придания нужной формы, а после термообработки твердой, как … сталь. Соли церия помогают даже при морской болезни.