О редких и рассеянных. Рассказы о металлах

С конца XVIII века, когда был открыт иттрий, до наших дней прошло чуть ли не два столетия. Казалось бы, за это время можно было досконально изучить элемент и узнать все его физические характеристики. Тем не менее до сих пор сведения о плотности, температурах плавления и кипения и некоторых других параметрах иттрия, приведенные в разных справочниках, не всегда совпадают. Причина тому одна: неодинаковая степень чистоты металла, достигнутая различными исследователями. Сейчас переплавом в вакууме с последующей двух- и трехкратной дистилляцией получают иттрий чистотой 99,8-99,9 %. Такой металл плавится примерно при 1500 °C, а его плотность составляет 4,47 г/см3. Сочетание сравнительно высокой температуры плавления с небольшой плотностью, неплохими прочностными данными и другими ценными свойствами делают иттрий перспективным конструкционным материалом. Так, из него уже изготовляют трубопроводы для транспортирования жидкого ядерного горючего — расплавленного урана или плутония. Но пока элемент № 39 чаще пробует свои силы в других областях.

Еще в конце прошлого века, ознаменовавшемся электрическим бумом, немецкий физик Вальтер Нернст создал необычную лампу накаливания: вместо угольной или металлической нити, помещенной в вакуум или инертный газ, она имела открытый стерженек из смеси окислов циркония и иттрия. Идея ученого основывалась на том, что некоторые кристаллические соединения — так называемые твердые электролиты — проводят ток в результате движения ионов, а не электронов. Лампу Нернста приходилось зажигать спичкой, так как керамический стерженек начинал проводить ток лишь при 800 °C. По этой причине лампа не нашла тогда спроса, однако подобные нагревательные элементы широко применяются в современной технике для создания высоких температур (окись иттрия заменена в них окисью кальция). В отличие от металлических, такие нагреватели не только не окисляются на воздухе, но и, напротив, работают тем лучше, чем выше окислительная способность среды.

Сегодня из окиси иттрия очень высокой чистоты изготовляют иттриевые ферриты, используемые в радиотехнике и электронике, в слуховых приборах и ячейках памяти счетно-решающих устройств. Бориды, сульфиды и окислы иттрия служат материалом катодов мощных генераторных установок, жаропрочных тиглей для плавления тугоплавких металлов. Несколько лет назад создан новый жаропрочный материал циттрит, представляющий собой циркониевую керамику с добавками иттрия; циттрит обладает минимальной теплопроводностью и сохраняет свои свойства до 2200 °C. Разработан и другой керамический материал иттрийлокс, плавящийся при 2204 °C. Этот материал (твердый раствор двуокиси тория в окиси иттрия) для видимой части спектра прозрачен, как стекло, и, кроме того, хорошо пропускает инфракрасные лучи. Из него можно изготовлять инфракрасные «окна» специальной аппаратуры и ракет, смотровые глазки высокотемпературных печей.

Иттрий внес свою лепту и в развитие цветного телевидения: кинескопы с красными люминофорами на основе его соединений характеризуются высокой яркостью свечения. В Японии для этой цели применяют окись иттрия, активированную европием; специалисты других стран отдают предпочтение ортованадату иттрия. По японским данным, на миллион трубок расходуется примерно 5 тонн чистой окиси иттрия.

Но, пожалуй, наиболее важная в наше время область применения иттрия металлургия. С каждым годом этот металл все шире используется как добавка при производстве легированной стали и модифицированного чугуна. Введение незначительных количеств иттрия в сталь делает ее структуру мелкозернистой, улучшает механические, электрические и магнитные свойства. Если немного иттрия (десятые и даже сотые доли процента) добавить в чугун, твердость его возрастет почти вдвое, а износостойкость — в четыре раза. К тому же такой чугун становится менее хрупким, по прочностным характеристикам он приближается к стали, легче переносит высокие температуры. И вот что весьма ценно: иттриевый чугун можно переплавлять несколько раз, но благотворное влияние «витамина Y» при этом сохраняется.

Иттрий повышает жаропрочность сплавов на основе никеля, хрома, железа, молибдена, увеличивает пластичность тугоплавких металлов — ванадия, тантала, вольфрама и сплавов на их основе, заметно упрочняет титановые, медные, магниевые и алюминиевые сплавы. Из легкого магнийиттриевого сплава (9 % иттрия), обладающего высокой коррозионной стойкостью, изготовляют различные детали и узлы летательных аппаратов.

Промышленность выпускает иттрий как в чистом виде (монокристаллы, слитки), так и в виде сплавов с магнием и алюминием. Масштабы его производства из года в год растут: если совсем недавно мировая добыча этого металла исчислялась лишь килограммами, то сейчас в мире ежегодно потребляется свыше ста тонн этого редкого элемента. Впрочем, такой ли уж он редкий?

Оказывается, нет. Не только иттрий, но и большинство других редкоземельных элементов встречается на земле отнюдь не редко. Иттрия в земной коре 0,0029 %, а это значит, что он входит в число 30 наиболее распространенных элементов нашей планеты. Его земные запасы в десятки раз больше, чем, например, молибдена или вольфрама, в сотни раз больше, чем серебра или ртути, и, наконец, в тысячи раз больше, чем золота или платины. Понятие «редкоземельные элементы» — скорее дань истории их открытия, чем оценка распространенности их в природе.

Свыше ста минералов содержат иттрий. Среди них есть собственно иттриевые ксенотим, фергюсонит, эвксенит, таленит и другие. Сравнительно недавно, в 1961 году, советские ученые обнаружили скопления неизвестного ранее иттрийсодержащего минерала в Казахстане. В честь первого в мире космонавта он был назван гагаринитом. Один из лучших образцов этого камня его первооткрыватели подарили Ю. А. Гагарину. Красивая друза гагаринита — крупные светло-желтые шестигранные кристаллы — экспонируется в Минералогическом музее им. А. Е. Ферсмана Академии наук СССР.

ВОЗРОЖДЕННЫЙ «ДИНОЗАВР» (ТЕХНЕЦИЙ)

Вообразите, что однажды утром, раскрыв газету, вы увидели в ней сенсационное сообщение:

Разумеется, такая «информация» могла появиться в газете только 1 апреля. Мыслимо ли, чтобы колесо истории вдруг прокрутилось на много-много оборотов назад и вернуло бы нам вчерашний день? Недаром говорят, что было, того уж не вернешь.

И все же, хотя науке сегодня действительно не под силу возрождать динозавров и птеродактилей, но совершать нечто подобное в иных областях ученым иногда удается. Речь идет о «воскрешении» тех химических элементов, которые когда-то «обитали» на нашей планете, но постепенно в результате радиоактивного распада практически полностью исчезли. Первым таким элементом был полученный в 1937 году технеций. Впрочем, сначала-небольшой экскурс в историю химии.

Еще в 1846 году работавший в России химик и минералог Р. Герман нашел в Ильменских горах на Урале неизвестный ранее минерал, названный им иттроильменитом. Ученый не успокоился на достигнутом и попытался выделить из него новый химический элемент, который, как он считал, содержится в минерале. Но не успел он открыть свой ильмений. как известный немецкий химик Г. Розе «закрыл» его, доказав ошибочность работ Германа. (Вскоре тот сумел отомстить: когда Розе объявил об открытии им пелопия, Герман, приложив немало усилий, убедительно опроверг выводы Розе.)