Іттрій - Знахідка в покинутому кар'єрі
С.І. Венецкій
У 1787 році лейтенант шведської армії Карл Арреніус
вирішив провести літню відпустку в містечку Ітербій, розташованому на одному з
численних острівців поблизу столиці Швеції Стокгольма. Вибір був зроблений не
випадково: пристрасний любитель мінералогії, Арреніус знав, що в околицях
Ітербій є відслужив свій вік і тому давно закинутий кар'єр - він-то й
вабив молодого офіцера, які сподівалися поповнити свою колекцію мінералів. День
за днем Арреніус ретельно обстежив все нові і нові ділянки кар'єра, але
похвалитися йому довгий час було нічим. І ось, нарешті, прийшла удача: знайдений
чорний важкий камінь, схожий на кам'яне вугілля. Така знахідка вже чогось
коштувала. Арреніуса Радості не було меж, та чи міг він тоді припустити,
що цей непоказний на вигляд мінерал зіграє величезну роль в історії
неорганічної хімії, а заодно впише в неї ім'я свого першовідкривача?
Відпустка підійшов до кінця. Повернувшись додому, Арреніус
склав опис мінералу, дав йому без довгих роздумів назва
"Ітербій" (на честь містечка, де той був знайдений) і знову приступив до
несення військової служби. Час від часу він продовжував займатися
мінералогічним пошуками, але зоряний час його був уже позаду.
У 1794 році іттербітом зацікавився фінський хімік
Юхан Гадоліній, професор університету в Або (нині Турку). І для нього чорний
камінь з-під Ітербій виявився щасливим, багато в чому визначила напрям
подальшої наукової діяльності цього видатного вченого (в 1811 році він був
обраний членом-кореспондентом Петербурзької академії наук). Гадоліній піддав
мінерал хімічному аналізу і знайшов у ньому, поряд з оксидами заліза,
кальцію, магнію і кремнію досить велика кількість (38%) невідомою
домішки, що нагадувала почасти окис алюмінію, почасти окис кальцію. Вчений
прийшов до висновку, що їм відкрита окис нового хімічного елемента, або, як
тоді було прийнято говорити, нова "земля" (так колись називали тугоплавкі,
нерозчинні у воді оксиди деяких елементів).
Через три роки дослідженням іттербіта зайнявся
шведський хімік Андрес Екеберг, професор Упсальского університету. Він
підтвердив висновки свого фінського колеги з тією лише різницею, що, на його
думку, на долю нової речовини доводилося не 38, а 55,5%. Екеберг запропонував
назвати невідому землю іттріевой, а Ітербій перейменувати в Гадоліній на знак
поваги до великих наукових заслуг Гадоліній - першого дослідника цього
мінералу.
Інтерес вчених до іттріевой землі зростав як на дріжджах.
Численні дослідження, проведені в різних країнах, підтверджували
присутність в Гадоліній нового елементу (правда, кількісні
характеристики, як правило, виявлялися різними). Але нікому з хіміків,
"борозни" вздовж і впоперек іттріевую землю, до пори до часу не
спадало на думку, що в ній ховається не один, а відразу кілька незнайомців --
окислів невідомих науці елементів.
Такою ж складною за складом виявилася церіевая земля,
відкрита в 1803 році. Як з'ясувалося пізніше, у цих двох речовинах
"проживали" майже всі елементи, які розташовуються сьогодні в
таблиці Менделєєва під номерами 57-71 і називаються лантаноїди, а разом зі
своїми найближчими "родичами" скандієм (№ 21) та ітрієм (№ 39)
утворюють сім'ю рідкоземельних металів. Але для того, щоб розділити ці землі
на складові частини і відкрити всі що входять до їх складу елементи, ученим
було потрібно ціле століття.
Початок XIX століття ознаменувався появою на світ
великої кількості нових елементів. У ці роки були відкриті паладій та родій, осмій
і іридій, калій і натрій, барій і стронцій, кальцій і магній, літій і кадмій.
Ці та інші "новонароджені" прикували до себе увагу хіміків, а
інтерес до іттріевой і церіевой земель помітно впав.
Мабуть, лише знаменитий шведський хімік Йенс Якоб
Берцеліус і його учні не втрачали із виду рідкісні землі. У 1818 році один з
помічників Берцеліуса Шерер виявив, що при нагріванні іттріевой землі в
закритій склянці безбарвний порошок раптом набував дивну жовтизну, яка
зникала лише після того, як процес повторювався в відновної атмосфері.
Це навело Шерера на думку, що у вихідному препараті, поряд з окисом ітрію,
міститься невідомий оксид - він-то і наводив жовтий "грим" на
іттріевую землю. Подібні думки дехто висловлював і раніше, але далі
припущень справа не йшла. Шерер теж не зумів експериментально підтвердити
свою ідею.
Минуло кілька років, і в біографії ітрію з'явилася
новий запис: 1828 рік - німецький вчений Фрідріх Велер (до речі, теж
учень Берцеліуса) вперше отримав металевий ітрій. І хоча метал був
сильно забруднений домішками, ця подія розцінювалося як значний успіх
Велером, оскільки виділення будь-якого рідкоземельного елемента з хімічних
сполук - до цього дня надзвичайно трудомістка і складне завдання.
Наступну сторінку в історію ітрію (а точніше, у
історію всіх рідкоземельних елементів, бо їхні долі найтіснішим чином
переплелися) вписав ще один учень Берцеліуса - талановитий шведський хімік
Карл Мосандер. Ще в 1826 році він серйозно захопився дослідженням церіевой землі
і незабаром зробив висновок про те, що в ній, як і в іттріевой, може міститися
інший, ще невідомий оксид. Однак Мосандер не був любителем
поспішних категоричних суджень, а виділити нову землю він тоді не
зумів. На якийсь час інші справи відвернули його від вивчення окислів церію, і
лише наприкінці 30-х років стрілка компаса наукових інтересів вченого знову
повернулася в бік рідкоземельного "полюси". Спочатку він повторив
свої досліди з церіевой землею і тепер вже зумів довести, що в ній ховається
окис іншого елемента. За пропозицією Берцеліуса Мосандер назвав його лантаном
- По-грецьки "прихований". Лантан дійсно довго переховувався під
прикриттям церію, але зате згодом він не тільки гостинно надав притулок в
своєму "домі" всіх рідкоземельних родичів, але і дав їм право
іменуватися лантаноїди.
Крім окису лантану, Мосандер виявив у церіевой
землі ще одну землю; в подальшому з'ясувалося, що і вона мала складний склад,
і з неї врешті-решт вдалося виділити декілька рідкоземельних елементів.
Тепер настала черга іттріевой землі. Мосандер пам'ятав про її "жовтих
Днями "в експериментах Шерера. Не забув він і про те, що дані про зміст
окису ітрію в Гадоліній помітно різнилися в дослідах Гадоліній, Екеберга і
багатьох інших дослідників, незважаючи на подібні методи аналізу. Тут було над
чим поламати голову, тим більше, що навіть сам Берцеліус не зміг дати цим
розбіжностей відповідного пояснення. Але з чого почати?
Перш за все Мосандер постарався отримати якомога
більш чистий окис ітрію. При цьому вчений не задовольнився лише тими
методами, які мала на той час наука: спеціально для своїх дослідів він
розробив нові методи, згодом міцно ввійшли в арсенал хімії
рідкоземельних елементів. Для "розщеплення" іттріевой землі Мосандер
використовував так зване дробове (або фракціоновані) осадження, в основі
якого лежало незначна різниця в розчинності солей рідкоземельних
елементів у кислотах. Якщо іттріевая земля являє собою суміш оксидів, то
вони повинні випадати в осад не одночасно, а по черзі, обумовленої їх
різної основностью, а отже, і різною розчинністю.
Минали дні, тижні, місяці. Буквально по краплях
додавав вчений до гідроксиду ітрію оксалат калію, аміак та інші реактиви.
Один скрупульозний досвід змінювалася іншою. І ось, нарешті, у жовтні 1843
Мосандер опублікував у "Філософському журналі" результати своєї роботи.
З іттріевой землі йому вдалося виділити три оксиду: спочатку випадав жовтий
осад, потім рожевий і в останню чергу - безбарвний. Назви, які
дав Мосандер цим оксиду і відповідним їм елементів, як би
символізували поділ вихідної землі, виявленої в мінералі з-під
Ітербій: від початкової частини назви цієї шведської села "ІТТ"
отримала своє ім'я безбарвна окис - ітрію, від "тер" - жовта,
що стала Тербій, і від "Ерб" - рожево, що іменувалися відтепер ербіей.
Але на цьому ставити крапку було ще рано: навколо
"тріо" Мосандера розгорнулася жвава полеміка, в якій
брали участь багато великих хіміки. Одні сумнівалися в існуванні знову
відкритих земель, інші, навпаки, стверджували, що ці землі в свою чергу
повинні бути розділені на самостійні "території", що належать
невідомих поки елементів. Істина лежала між цими крайніми точками зору:
ербіевая земля справді виявилася сумішшю оксидів. У 1878 році швейцарський
хімік Жан Маріньяк розділив її на дві частини - ербію і Ітербій (названу на
честь все тієї ж шведської села). Але, як незабаром з'ясувалося, кожна з цих
земель була ... теж сумішшю оксидів.
Дроблення земель продовжувалося, сім'я рідкоземельних
елементів поповнювалася новими членами. У ті роки інтерес до рідкісних земель різко
зріс. Чималу роль зіграв у цьому розроблений в 1860 році німецькими вченими
Робертом Бунзеном і Густавом Кірхгофа спектральний метод аналізу, значно
розширив можливості проникнення в таємниці речовини.
Подібно до того як за часів золотих лихоманок тисячі
любителів наживи спрямовувалися до Каліфорнії і Клондайк, в останній чверті
минулого століття на береги архіпелагу рідкісних земель висадився численний
десант вчених - хімічних шукачів скарбів. Відкриття нових рідкоземельних
металів посипалися як з рогу достатку, але, на жаль, переважній більшості з
них (а всього їх виявилося понад сто) не вистачало необхідних
"документів" для постійної прописки в таблиці елементів. Зате які
красиві імена давали новонародженим їх щасливими "батьками":
Пилип і деціпій, демони та метацерій, дамару і Люцій, гриву, та неокосмій,
глаукодім і Вікторія, евксеній і Кароліну, інкогніто і Кассіопеї і навіть
альдебараній. Тепер ці звучні назви можна знайти лише в списках
ложнооткритих хімічних елементів ...
Але, зрозуміло, були й удачі. З ербіевой землі,
поряд з самим ербієм, були отримані Тулій, Гольмій і Диспрозій, а з
іттербіевой землі, крім Ітербій, ще скандій і Лютецій. Характерна деталь:
для виділення лютецію французькому хіміку Жоржу Урбен довелося виконати більше
15 тисяч кристалізації. Так неохоче природа розкривала науці свої секрети.
Цікаво, що Лютецій виявився останнім рідкоземельних елементів як по
часу відкриття (він "став до ладу" в 1907 році), так і за положенням
в ряду лантаноїдів. Якщо ви подивитеся на таблицю елементів, то побачите, що
Лютецій цілком резонно може заявити: "Моя хата з краю".
Отже, всі рідкоземельні метали відкриті. Підіб'ємо
деякі підсумки. Крихітне шведське селище Ітербій, де колись Арреніус
знайшов чорний камінь, дало імена чотирьох хімічних елементів - ітрій, Тербій,
ербію і Иттербий. Жоден материк, жодна держава, жодна столиця не
удостоїлися такої честі. Став своєрідним рекордсменом і чорний мінерал
Гадоліній (Ітербій): він виявився "камерою зберігання" мало не десятка
нових елементів, які були вилучені з іттріевой землі, вперше
виявленої в Иттербий.
Іттрій та інші рідкоземельні метали доставили
чимало клопоту Д.І. Менделєєву, коли той виписував "ордери" для
заселення побудованої їм періодичної таблиці. До моменту відкриття найважливішого
закону хімії науці були відомі шість рідкоземельних елементів. Підібрати для
кожного з них відповідне місце в таблиці виявилося дуже складно через їх
дивного хімічного схожості, а оскільки з роками число їх зростало, то й
турбот додавалося. Минуло не одне десятиліття, перш ніж вдалося остаточно
вирішити "житлову проблему" для членів рідкоземельного сімейства.
Виявилося, що ітрій, з якого почалася історія рідкісних земель, необхідно
надати окрему "квартиру". Такі ж пільги отримав скандій, а
всі інші рідкоземельні елементи, як уже говорилося, були розміщені в
"багатокімнатної квартирі", і лантан було призначено "відповідальним
наймачем ". І хоча частина лантаноїдів відноситься до іттріевой групі (інша
частина - до церіевой), ітрій розлучений з ними в таблиці елементів.
З кінця XVIII століття, коли було відкрито ітрій, до наших
днів минуло мало не два століття. Здавалося б, за цей час можна було
досконально вивчити елемент і дізнатися всі його фізичні характеристики. Тим не
менше до сих пір відомості про щільність, температурах плавлення і кипіння і
деяких інших параметрах ітрію, наведені в різних довідниках, не
завжди збігаються. Причина тому одна: неоднакова ступінь чистоти металу,
досягнута різними дослідниками. Зараз переплавом у вакуумі з
наступною дво-і триразовою дистиляцією отримують ітрій чистотою
99,8-99,9%. Такий метал плавиться приблизно при 1500 ° С, а його щільність
складає 4,47 г/см3. Поєднання порівняно високу температуру плавлення з
невеликий щільністю, непоганими міцності даними та іншими цінними
властивостями роблять ітрій перспективним конструкційних матеріалом. Так, з нього
вже виготовляють трубопроводи для транспортування рідкого ядерного пального --
розплавленого урану або плутонію. Але поки елемент № 39 частіше пробує свої сили
в інших областях.
Ще наприкінці минулого століття, позначений
електричним бумом, німецький фізик Вальтер Нернст створив незвичайну лампу
розжарювання: замість вугільної або металевої нитки, розміщеної у вакуум або
інертний газ, вона мала відкритий стерженек із суміші оксидів цирконію і ітрію.
Ідея вченого грунтувалася на тому, що деякі кристалічні сполуки --
так звані тверді електроліти - проводять струм в результаті руху іонів,
а не електронів. Лампу Нернста доводилося запалювати сірник, тому що
керамічний стерженек починав проводити струм лише при 800 ° С. З цієї причини
лампа не знайшла тоді попиту, однак подібні нагрівальні елементи широко
застосовуються в сучасній техніці для створення високих температур (окис ітрію
замінена в них окисом кальцію). На відміну від металевих, такі нагрівачі
не тільки не окисляються на повітрі, але і, навпаки, працюють тим краще, ніж
вище окислювальна здатність середовища.
Сьогодні з оксиду ітрію дуже високої чистоти
виготовляють іттріевие ферити, що використовуються в радіотехніці і електроніці, у
слухових приладах і осередках пам'яті лічильно-обчислювальних пристроїв. Бориди, сульфіди
і оксиди ітрію служать матеріалом катодів потужних генераторних установок,
жароміцних тиглів для плавлення тугоплавких металів. Кілька років тому
створено новий жароміцний матеріал ціттріт, що представляє собою цирконієву
кераміку з добавками ітрію; ціттріт володіє мінімальною теплопровідністю і
зберігає свої властивості до 2200 ° С. Розроблено та інший керамічний матеріал --
іттрійлокс, плавиться при 2204 ° С. Цей матеріал (твердий розчин двоокису
торію в окису ітрію) для видимої частини спектру прозорий, як скло, і, крім
того, добре пропускає інфрачервоні промені. З нього можна виготовляти
інфрачервоні "вікна" спеціальної апаратури і ракет, оглядові вічка
високотемпературних печей.
Іттрій зробив свій внесок і в розвиток кольорового
телебачення: кінескопи з червоними люмінофорами на основі його сполук
характеризуються високою яскравістю світіння. У Японії для цієї мети застосовують
окис ітрію, активовану Європі; фахівці інших країн віддають
перевагу ортованадату ітрію. За японськими даними, на мільйон трубок
витрачається приблизно 5 тонн чистого окису ітрію.
Але, мабуть, найбільш важлива в наш час область
застосування ітрію - металургія. З кожним роком цей метал все ширше
використовується як добавка при виробництві легованої сталі і
модифікованого чавуну. Введення незначних кількостей ітрію в сталь
робить її структуру дрібнозернистою, покращує механічні, електричні та
магнітні властивості. Якщо трохи ітрію (десяті і навіть соті частки відсотка)
додати чавун, твердість його зросте майже вдвічі, а зносостійкість - у
чотири рази. До того ж такий чавун стає менш крихким, за міцністю
характеристиками він наближається до сталі, легше переносить високі температури. І
ось що дуже цінне: іттріевий чавун можна переплавляти кілька разів, але
благотворний вплив "вітаміну Y" при цьому зберігається.
Іттрій підвищує жароміцних сплавів на основі
нікелю, хрому, заліза, молібдену, збільшує пластичність тугоплавких металів
- Ванадій?? я, танталу, вольфраму і сплавів на їх основі, помітно зміцнює
титанові, мідні, магнієві та алюмінієві сплави. З легкого магнійіттріевого
сплаву (9% ітрію), що володіє високою корозійною стійкістю, виготовляють
різні деталі та вузли літальних апаратів.
Промисловість випускає ітрій як у чистому вигляді
(монокристали, злитки), так і у вигляді сплавів з магнієм і алюмінієм. Масштаби
його виробництва з року в рік зростають: якщо зовсім недавно світовий видобуток цього
металу обчислювалася лише кілограмами, то зараз у світі щорічно споживається
понад сто тонн цього рідкісного елементу. Втім, чи такий вже він рідкісний?
Виявляється, немає. Не тільки ітрій, але і більшість
інших рідкоземельних елементів зустрічається на землі аж ніяк не рідко. Ітрію в
земній корі 0,0029%, а це значить, що він входить до числа 30 найбільш
поширених елементів нашої планети. Його земні запаси в десятки разів
більше, ніж, наприклад, молібдену або вольфраму, в сотні разів більше, ніж срібла
або ртуті, і, нарешті, в тисячі разів більше, ніж золота або платини. Поняття
"рідкоземельні елементи" - скоріше данина історії їх відкриття, ніж оцінка
поширеності їх в природі.
Понад сто мінералів містять ітрій. Серед них є
власне іттріевие - ксенотім, Фергюсон, евксеніт, Тален та інші.
Порівняно недавно, у 1961 році, радянські вчені виявили скупчення
невідомого раніше іттрійсодержащего мінералу в Казахстані. На честь першого в
світі космонавта він був названий гагарінітом. Один з кращих зразків цього каменю
його першовідкривачі подарували Ю. А. Гагаріна. Красива друза гагарініта --
великі світло-жовті шестигранні кристали - експонується в мінералогічному
музеї ім. А. Е. Ферсмана Академії наук СРСР.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/
