Редкоземельные элементы

Это исторически сложившееся название 15 химических элементов: лантана Z = 57 и 14 лантаноидов (от Се, Z = 58 до Lu, Z = 71), расположенных в шестом периоде таблицы Менделеева. К РЗЭ относят также скандий (Z = 21) и иттрий (Z = 39), история открытия и изучения которых тесно связана с историей РЗЭ.

В природе редкоземельные элементы обычно сопутствуют друг другу. Ныне известно около 250 редкоземельных минералов, и их нельзя относить к классическим редким элементам.

В XIX - начале XX в. провозглашались открытия более 100 новых РЗЭ, но большинство этих открытий оказались ошибочными. И никто не мог с достоверностью сказать, сколько же РЗЭ существует на самом деле.

Это была первая их загадка. Вторая состояла в удивительном химическом сходстве РЗЭ. Известны случаи, когда для того, чтобы отделить один РЗЭ от другого, требовались годы напряженной работы и многие тысячи однообразных химических операций разделения. Почему РЗЭ так сходны? Этого тоже никто не мог объяснить. И наконец, третья загадка: как разместить РЗЭ в периодической системе химических элементов, тем более что все они в соединениях, как правило, трехвалентны?

Разгадать эти загадки выпало физикам, но и химики сделали все, что было в их возможностях. Во всяком случае они правильно расположили РЗЭ в ряд (по увеличению их атомных масс) и ориентировочно оценили количество этих элементов.

История РЗЭ началась в 1794 г., когда финский химик Ю. Гадолин выделил иттриевую "землю" - оксид иттрия. Важно заметить, что ни один из РЗЭ не был сразу получен в виде металла, а все они первоначально выделялись в виде "земель" - оксидов. "Иттриевая земля" Гадолина, так же как и "цериевая земля", открытая в 1803 г. Й. Берцелиусом, В. Хизингером и М. Клапротом, не были индивидуальными химическими соединениями, а представляли смесь нескольких оксидов РЗЭ. Из последовательного разделения таких смесей на составляющие состоит, по существу, вся история открытия РЗЭ. А разделить очень близкие по свойствам РЗЭ чрезвычайно трудно.

Во многих названиях РЗЭ отразилась история их открытия. Так, название "иттербий" дано в честь Иттербю - маленькой шведской деревушки, где был найден первый редкоземельный минерал. Гадолиний был назван в честь Ю. Гадолина. Диспрозий по-гречески означает "труднодоступный". Название "самарий" происходит от минерала самарскита, из которого был выделен этот элемент; "лантан" по-гречески означает "скрытый". Дидим ("близнец") долгое время признавался самостоятельным элементом, но, как оказалось, он является смесью неодима ("новый близнец") и празеодима ("зеленый близнец" - по цвету его солей). Несколько названий носят географический характер: скандий (в честь Скандинавии), гольмий (от Гольмиа - старого названия Стокгольма) и лютеций (от старого романского названия Парижа), тулий назван в честь легендарной страны Туле, будто бы расположенной на краю земли, и одно название - астрономическое: церий (в честь астероида Церера). Лишь один РЗЭ пропущен в перечне: это искусственно синтезированный прометий (от имени мифологического героя Прометея). Существование "пробела" между неодимом и самарием в ряду РЗЭ, которое и занял прометий, было установлено на основании закона Мозли. Н. Бор на основе своей теории построения электронных оболочек атомов доказал, что последним РЗЭ является лютеций (Z = 71). Так разрешилась первая загадка РЗЭ - окончательно выяснилось их точное количество. Бор разгадал и вторую: в атомах лантаноидов заполняется 14 4f-электронами глубинная N-оболочка, ранее остававшаяся недостроенной. Будучи третьей снаружи, она почти не влияет на химические свойства, а потому лантаноиды очень похожи на лантан и имеют много общего со скандием и иттрием. Ведь эти два элемента - непосредственные химические аналоги лантана в периодической системе, а по величинам своих атомных радиусов они оказываются внутри ряда лантаноидов. И только третья загадка продолжает волновать время от времени ученых, вызывая споры о размещении лантаноидов в периодической системе. Общепринятый вариант их размещения (в одной клетке с лантаном), пожалуй, наиболее удачный.

РЗЭ составляют 1/6 часть всех известных элементов и более ¼ существующих на Земле металлов. Но долгое время практическое применение этих элементов было весьма ограниченным. Положение в корне изменилось в 60-70-х гг. нашего века. Ныне диапазон использования РЗЭ чрезвычайно широк. Чистые редкоземельные металлы (а многие из них удалось получить только после второй мировой войны) обладают весьма интересными специфическими свойствами и при этом заметно отличаются друг от друга. Это очередной парадокс в истории РЗЭ, которые считались уныло однообразными из-за своего химического подобия в трехвалентном состоянии. В действительности однообразие обернулось не менее удивительным многообразием.