От водорода до ?

Элемент, переживающий вторую молодость

Академик А. Е. Ферсман в книге «Занимательная геохимия» приводит шуточный рассказ о том, как старые железнодорожники, придумывая названия станций построенной железной дороги, назвали одну из них Африкандой только потому, что в день их приезда на этой станции стояла невыносимая, «как в Африке», жара.

Нечто подобное произошло и с элементом торием. Элемент «окрестил» Берцелиус по названию минерала торита, из которого была выделена «ториевая земля». Минерал торит, в свою очередь, получил название от имени древнегерманского бога грома и войны Тора. Конечно, Берцелиус не предполагал каких-то таинственных свойств у этого элемента, не связывал его особенностей с громом и военными событиями. Название дано было гораздо произвольнее, чем случай с Африкандой, и, очевидно, приближалось к поступку тех родителей, которые, обрадовавшись появлению на свет дочери, называют ее Артиллерией.

Совершенно очевидно, что разработка терминологии для вновь открываемых минералов играет не последнюю роль. Об этом убедительно писал академик А. Е. Ферсман, но, к сожалению, вопрос с наименованиями новых минералов и элементов пока остается не разрешенным, и по-прежнему автор-открыватель дает названия по своему желанию.

Открытый в 1828 г. в «ториевой земле», торий через несколько лет был выделен в свободном виде. Однако этот элемент добывался столь сложными путями, что еще в конце XIX в. килограмм соли этого элемента стоил более тысячи рублей.

Проходило одно десятилетие за другим, но торий продолжал оставаться известным только химикам, да и то не всем. Поворот в истории элемента тория связан с открытием ценного свойства двуокиси тория. При нагревании это вещество испускает яркий и приятный для глаз белый свет. Во второй половине прошлого века получили распространение так называемые газокалильные лампы — источники освещения для помещений и улиц. Важнейшей частью этих ламп являлись газокалильные сетки — сетчатые колпачки из 99 % двуокиси церия. Эти лампы на несколько десятилетий отсрочили начавшее уже гибнуть из-за непосильной конкуренции с электрическим освещением производство светильного газа. В пламени светильного газа колпак из смеси двуокисей тория и церия испускает яркий свет, так как теплота сгорания газа превращается большей частью в световую энергию. Это было очень выгодно. Изобретатель газокалильных сеток нажил изрядное состояние. Однако, как ни ярко светились ториевые колпачки, на смену им пришел «русский свет» — электрические лампочки русского изобретателя Лодыгина, и ториевые колпачки газокалильных фонарей потеряли свое значение. Вместе с этим резко сократилось применение и производство ториевых соединений. История элемента, казалось, уже заканчивалась. И не более как двадцать лет назад в справочниках о тории писали кратко: «Почти никакого технического применения не имеет». Это соответствовало действительности — торий почти не применяли. Он использовался главным образом как добавка в сердечники углей для дуговых ламп прожекторов.

«Переоценка ценности» тория, однако, началась значительно раньше, почти тогда же, когда Мария Склодовская и независимо от нее Шмитд установили, что торий является радиоактивным элементом, хотя и с менее выраженной активностью, чем у радия. Оказалось, что атомы тория претерпевают ряд последовательных разрушений, превращаясь в конечном итоге в устойчивый свинец с атомным весом 208. Неустойчивость ядра атома тория нашла практическое применение в настоящее время как источник внутриатомной энергии.

Преимущество тория как ядерного «горючего» перед ураном состоит в том, что лишь при 1400–1500 °C кристаллическая решетка тория начинает претерпевать фазовые превращения. Это позволяет реактору на ториевом горючем работать при более высоких температурах.

Тория в природе значительно больше урана. Соединения тория содержатся в монацитовом песке. Тория в земной коре не так уж мало (6 · 10^–5%). В ничтожных количествах он встречается даже в гранитах.

Торий по внешнему виду и температуре плавления напоминает платину, по удельному весу и твердости — свинец. В химическом отношении у тория много сходства с церием, а по структуре электронной оболочки атома — это равноправный член семейства актинидов.

Перспективы применения тория весьма широки: атомные двигатели и, как знать, может даже атомные станции для подогрева воды в северных реках получат для своей работы торий в качестве энергетического сырья.

«Предок» актиния

Существование протактиния было предсказано в 1871 г. Д. И. Менделеевым.

Этот элемент, максимальное количество которого в руках исследователей не превышало нескольких сотых долей грамма, является близким «родственником» актиния не только по положению в периодической системе, но и по совместному местонахождению в природе и своим свойствам. О том, как трудно было получить его в чистом виде, можно судить по тому, что в источнике этого элемента — уране — протактиний присутствует вместе с радием, причем приблизительно в одинаковых количествах. В тонне металлического урана содержится примерно по 0,3 грамма радия и протактиния. Но тонну металлического урана получить не так просто.

Радиоактивный протактиний является спутником урана и встречается как примесь к урановым рудам, а по происхождению — в одно и то же время «сыном» урана и «отцом» актиния. Излучая альфа-лучи, радиоактивный изотоп протактиния, встречающийся в природе, превращается в актиний. В этом случае он — «отец», а образуясь из урана, — «сын» последнего. Название элемента ближе всего соответствует буквальному переводу «первый луч» («протос» по-гречески «первый», «актинос» — «луч»), в более свободном переводе — «первый в ряду», т. е. родоначальник актиния.

Излучаемые протактинием альфа-частицы обладают малой энергией и, в связи с этим, — короткой длиной пробега, что позволяет определить содержание протактиния в сырье, не прибегая к химическим методам. Один из приемов выделения протактиния основан на способности соединения элемента адсорбироваться из растворов на стекле химической посуды.

Немецкие исследователи Отто Ган и Лиза Мейтнер открыли протактиний в 1917 г. Лишь через десять лет ученый Гроссе выделил несколько сотых грамма серебристо-белого металла — протактиния. Этот героизм нельзя не оценить, зная, что содержание протактиния в земной коре выражается дробью (в процентах от общего числа атомов), в которой значащая цифра начинается после одиннадцати нулей: 0,000 000 000 008 %. Из пяти с половиной тонн богатой богемской урановой смоляной руды можно получить полграмма относительно чистого протактиния.

О перспективах применения протактиния, стоя на пороге атомного века, следует говорить с осторожностью. Пока эти перспективы весьма узки, но … будущее может их неожиданно расширить.

Воплощение надежды и тревог

В греческой мифологии Ураном назывался бог неба, сын и одновременно супруг богини Земли — Геи, отец титанов и циклопов — одноглазых гигантов. Имя Урана было присвоено седьмой планете солнечной системы, которую сначала принимали за комету. В 1789 г. М. Клапрот при исследовании смоляной руды обнаружил новое вещество, которое в честь открытия планеты Уран также было названо ураном. В 1842 г. французский химик М. Пелиго доказал, что при обжиге с углем окислов урана из них получается не свободный уран, а … опять один из окислов. По внешнему виду этот окисел напоминал медь и был принят М. Клапротом за металл. Правда, осторожный Клапрот дипломатично назвал обнаруженное вещество «полуметаллом». Эта осторожность не лишила Клапрота авторства. Выделенный Пелиго в 1842 г. металл был уже действительно ураном.