«Родоначальник» большого семейства

57. Лантан — Lanthanum (La)

Особое место среди химических элементов занимает это «семейство», связанное между собой исключительным сходством свойств. Их устаревшее название — редкоземельные элементы (РЗЭ). Интерес к ним значительно увеличился после того, как были пущены первые атомные реакторы, при работе которых в качестве побочных продуктов образуются эти элементы.

Современная техника расширяет круг элементов, применяемых в областях первостепенной важности. Это вызывает к ним повышенный интерес. Редкие и редкоземельные элементы в 50 раз повысили стоимость самолетов новых конструкций. Так, стоимость одного фунта (400 г) веса некоторых американских бомбардировщиков составляет 568 долларов, в то время как один фунт золота стоит 560 долларов. Бомбардировщики — из чистого золота, а ракеты — из платины, ибо ракета типа Атласс стоит 35 миллионов долларов — это цена трех тысяч квартир со всеми удобствами!

Заметим, что не так уж много известно об этих элементах. Впрочем, разве только о них? О первых водолазных приспособлениях мы находим указания у Геродота, Аристотеля и Плутарха, но глубина в 923 м была достигнута лишь в 1934 г. Достижение этой глубины связано с именем профессора Огюста Пикара, выдающегося физика, ставшего синонимом романтики и приключений. 23 января 1960 г. его сын погрузился в Марианскую впадину — самое глубокое место на Земле — и достиг глубины 11 500 м. А многое ли узнали? Познан ли океан? На бакинском газоконденсатном месторождении Зыря будет заложена самая глубокая в Европе и Азии скважина глубиной в 7 тыс. м. Изучена ли земная оболочка?

Поэтому, когда мы говорим об ограниченном применении некоторых РЗЭ, причина кроется и в их малой изученности.

А теперь о «родоначальнике» семейства — лантане.

От пытливых химиков этот элемент очень долго скрывался, за что и получил название лантан («лантано» по-гречески «скрываюсь», «таюсь»). Он был открыт шведским химиком Мозандером в 1839 г. Более сотни лет лантан представлял собой труднодоступный элемент не только для промышленности, но и для химической лаборатории. В чистом виде лантан (и его соединения) был получен лишь после того, как в практику лабораторий и промышленных предприятий прочно вошел так называемый хроматографический анализ, разработанный русским ученым М. С. Цветом в 1903 г.

Сущность этого метода в самых общих чертах состоит в следующем. Через трубку, наполненную неокрашенным порошкообразным или мелкозернистым веществом, обладающим способностью удерживать (адсорбировать) на своей поверхности частицы других веществ, пропускается испытуемый раствор.

Вещества, входящие в смесь, в зависимости от степени их адсорбции на поверхности поглотителя (адсорбента) будут располагаться на разных уровнях его высоты в трубке (колонке). Если раствор состоит из смеси окрашенных веществ (с такими растворами работал в свое время М. С. Цвет), то они, благодаря различной их адсорбируемости, удерживаются в различных частях адсорбента, окрашивая его в соответствующий для данного вещества цвет.

Таким образом, разделяются составные части смеси. Масса адсорбента по всей его длине в трубке в соответствии с окраской удержанного вещества будет иметь различные цвета или различные оттенки одного и того же цвета (в зависимости от окрасок составных частей смеси). Полученная колонка окрашенного адсорбента называется хроматограммой (от греческого «хрома» — краска, цвет и «графо» — пишу). Для выделения составных частей смеси, колонку адсорбента осторожно извлекают из трубки и разделяют по зонам окраски. Состав каждой окрашенной зоны определяется обычными методами химического анализа. Вполне понятно, что анализ не представляет трудностей, когда в каждой зоне присутствует только одно вещество. Однако в большинстве случаев зоны окрашенного адсорбента не настолько резко отличаются друг от друга, чтобы их можно было легко разделить механически. Обычно зоны совмещаются и постепенно переходят одна в другую. В этих случаях трубку, содержащую адсорбент с удержанными на нем веществами, промывают специально подобранным растворителем, который по-разному относится к адсорбированным составным частям смеси. Такой прием извлечения адсорбированного вещества из адсорбента называется элюцией (от латинского «элюцио» — промывание). Элюция позволяет использовать не только различие в адсорбируемости составных частей смеси, но и в их растворимости.

Лантан и его соединения обнаруживают очень большое сходство с целым рядом других весьма похожих на лантан элементов. Шестьдесят с лишним лет назад В. Крукс, оценивая это сходство, сказал: «Химически они так сходны между собою, что требуется наивысшее искусство химика, чтобы хоть сколько-нибудь разделить их; они изучены еще так неполно, что даже число их неизвестно». Теперь число «родственников» лантана известно. Их — 14. От лантана, как наиболее хорошо изученного, все они объединяются в одну группу, в одну клеточку системы Менделеева под именем семейства лантанидов.

Долгое время лантаниды считались бесперспективными элементами, и изготовление кремней для зажигалок, о которых будет упомянуто в дальнейшем, являлось «потолком» их практического применения. И не случайно вся группа «родственников» 15–25 лет назад считалась «забытой областью химии». Однако успехи современной науки и в первую очередь достижения в области ядерной физики превращают «забытую область химии» в одну из интереснейших и многообещающих отраслей знания, на которой сосредоточено внимание не только ученых-теоретиков, но и инженеров-практиков. Углубленное изучение «семейства» лантанидов показывает, что они обладают чрезвычайно интересными свойствами, дающими возможность использовать их в самых разнообразных областях техники и науки. И не случайно в августе 1957 г. газета «Правда» указывала, что в условиях советской экономики вопросы практического освоения лантанидов приобретают государственную важность первостепенного значения.

Большое сходство химических свойств у лантанидов связано с особым строением электронных оболочек у атомов этих элементов начиная с лантана (№ 57) до лютеция (№ 71) включительно. Это особое строение приводит к тому, что по мере возрастания порядкового номера элемента увеличения радиуса атомов не происходит (лантанидное сжатие). Это явление и объясняет такое большое химическое сходство всех лантанидов.

После того как были выделены чистые соли лантана, получение самого лантана уже не представляло особого труда. Например, путем электролиза хлорида лантана получили металлический лантан, который по своему химическому поведению напоминает металл кальций. Лантан по твердости подобен олову (плотность 6,2), температура его плавления составляет всего 920±5 °C, но зато удивительно высока температура кипения (4515 °C). Как и многие активные металлы, он разлагает воду, хорошо реагирует с кислотами, а при нагревании энергично — с хлором, серой и другими металлоидами, т. е. проявляет свойства типичного металла.

Лантан — металл «самозащищающийся»: в сухом воздухе он покрывается тонкой пленкой окисла, которая защищает его от дальнейшего окисления. Но такая «защита» происходит только в сухом воздухе, влага с этой пленкой соединяется и образует сильное основание.

Неоднократно мы упоминали о таком важном металле, как алюминий, и указывали, в частности, на его способность гореть с выделением большого количества тепла. На этой реакции основано много различных процессов. У лантана теплота реакции соединения с кислородом еще больше. Как только научились получать лантан в больших количествах, он стал соперничать с алюминием в металлургии. Для удаления кислорода из жидкой стали в нее часто вводят не алюминий, а лантан. На тонну стали нужен всего один килограмм этого «раскислителя», как в технике называют вещества, освобождающие сталь от кислорода. Таким способом обработаны уже миллионы тонн стали и утверждают, что это отличный метод повышения ее качества.

Лантан совсем недавно получали в смеси с церием — другим членом семейства лантанидов, приблизительно в соотношении 1:1. Сплавив смесь этих металлов с железом, получили … «кремень», который широко применялся в карманных зажигалках. Конечно, железо-цериево-лантанный «кремень» не имеет ничего общего с природным камнем кремнем — соединением кремния. Такое название было дано сплаву за способность «искрометания» при трении по нему зазубренного стального колесика. Эта способность была использована не только в безобидных зажигалках, но и в артиллерийских снарядах. Снабдив снаряд насадкой из этого «смешанного металла», получили возможность наблюдать снаряд в полете. «Смешанный металл» при полете в воздухе искрит. При этом роль колесика зажигалки играет сам воздух, трущийся о металл.

Соединения лантана используются при изготовлении стекла для лучших объективов фотоаппаратов и специальных защитных очков. В сплаве с магнием лантан используется для изготовления деталей авиационных двигателей.

Будущее у лантана, несомненно, огромно. В природе его больше, чем, например, свинца. Правда, лантан не встречается в виде мощных месторождений чисто лантановых минералов, но его можно получать при производстве суперфосфата из апатитов. В нашей стране запасы апатитов практически неисчерпаемы.

Любопытно, что своеобразными «залежами» лантана является всем знакомое растение черника, зола которой содержит до 0,17 % окиси лантана. Много лантана в золе низкорослых карельских берез.

Возможные области применения лантана с каждым новым исследованием его свойств будет все обширнее. Установлено, что лантан при температуре, близкой к нулю, обладает сверхпроводимостью.