63. Европий

Как это часто бывает для элементов, открытых в конце XIX – начале XX века, приписать пальму первенства открытия европия кому-то одному довольно сложно.

К обнаружению европия причастен британский химик и физик Уильям Крукс, который более известен своими работами, которые в конечном итоге привели к созданию кинескопов для телевизоров и компьютерных мониторов – он обнаружил, что, если приложить к электродам, расположенным внутри стеклянной вакуумированной трубки (трубки Крукса), высокое электрическое напряжение, то в трубке будет наблюдаться необычное свечение. Сам Крукс назвал эффект «катодными лучами», позже стало ясно, что причина свечения – поток электронов, движущихся от катода к аноду; физики также считают Крукса человеком, заложившим основы радиометрии. В 1886 году Крукс проводил спектральный анализ минерала, содержащего иттербий и самарий, и заметил, что набор линий, которые позволяет получить спектрометр, указывает на наличие в образце третьего элемента, однако развивать идею и выделять новый элемент из руды Крукс не стал.

Вслед за Круксом спектральные линии нового элемента в соединениях металлов, которые мы сейчас называем лантаноидами, в 1892 году наблюдал Поль Лекок де Буабодран. В конечном итоге чистая соль нового элемента была получена в 1901 году ещё одним французским физиком, Эженом-Анатолем Демарсе, который и дал ему название в честь континента Европы. Металлический европий был выделен из соли еще спустя десяток лет. Некоторые специалисты по истории науки сравнивают ситуацию с открытием европия с зеркальным вариантом открытия пенициллина – для нас открытие первого антибиотика связывается с именем Александра Флеминга, однако настоящую пользу пенициллин стал приносить через десять с лишним лет после публикации Флеминга, когда биохимикам Эрнсту Борису Чейну и Хоуарду Уолтеру Флори, о которых помнят только специалисты в области биохимии, удалось выделить пенициллин в чистом виде. С европием ситуация обратная – лавры первооткрывателя этого элемента официально принадлежат Демарсе, а о Круксе и Буабодране почти не вспоминают, хотя, конечно, сравнение было бы более ярким, если бы про европий знало бы примерно столько же людей, сколько знают про пенициллин.

Несмотря на то что европий не является самым известным химическим элементом, он значительно влияет на наше окружения, применяясь как легирующая добавка. Небольшое количество производных европия добавляют в люминофоры – материалы, которые начинают светиться при воздействии электронов или ультрафиолетового излучения. Люминофоры применялись при изготовлении кинескопов телевизоров и мониторов компьютеров с электронно-лучевыми трубками, в медицине люминофоры используют для рентгена и флюорографии. Способность люминофоров светиться без электрического источника энергии используется в системах эвакуации и пожарной безопасности. Европий позволяет обеспечить свечение двумя цветами – соли трехвалентного европия, добавленные к люминофорам, заставляют их излучать красный свет, а двухвалентного – голубой. Европий является одним из самых дорогих лантаноидов, килограмм металлического европия стоит около 2000 долларов.

Жителям Европы (и не только) довольно часто приходится держать в руках изделия, в которых содержится европий – содержащие этот металл люминофоры применяются для защиты от подделки евробанкнот, что, учитывая происхождение названия элемента, довольно символично.

Длительные трудности с выделением металлического европия, как, впрочем, и его высокая цена, связаны ещё и с тем, что этот металл проявляет относительно высокую химическую активность (скорость окисления европия кислородом воздуха или взаимодействия с водой сравнимы со скоростью реакции кальция), и при контакте с воздухом европий покрывается слоем жёлтого карбоната Eu2(CO3)3. Европий является хорошим поглотителем нейтронов, но редко применяется в атомной энергетике как из-за высокой стоимости, так и из-за того, что поглощающие нейтроны производные европия выдерживают в ядерном реакторе в полтора раза меньше, чем обычно использующийся для захвата нейтронов карбид бора.

64. Гадолиний

Гадолиний был назван в честь финского химика и геолога Юхана Гадолина, который одним из первых начал изучать образец минерала, найденный около шведского селения Иттербю. В 1792 году Гадолин выделил из минерала иттербита первый редкоземельный металл – иттрий, после чего оказалось, что обильный новыми минералами иттербит – два минерала, один из которых позднее в честь Гадолина был назван гадолитнитом.

Сходство свойств лантаноидов значительно затрудняло возможности их отделения друг от друга в индивидуальном виде, поэтому история гадолиния продолжилась только в 1880 году, когда швейцарский химик Жан де Мариньяк обнаружил в гадолините спектральные линии нового элемента. Шесть лет спустя Лекок де Буабодран выделил из гадолинита оксид нового элемента и назвал его гадолинием. Высокая активность гадолиния, как и других лантаноидов, затрудняла его получение в виде простого вещества, и первый образец металлического гадолиния был получен только в 1935 году.

Если посмотреть последнее издание Химической энциклопедии, том с информацией про гадолиний, который был издан в 1988 году, можно увидеть, что и свойствам металла, и его применению в ней уделено буквально несколько строчек. Действительно, информация о химических свойствах гадолиния небогата – так или иначе, она сводится к тому, что гадолиний образует трехзарядный ион Gd3+, который не может похвастаться какой-то интересной окраской солей в растворе – он бесцветный. Тем не менее именно этот ион и привлекает внимание теоретиков и практиков в последнее время. Уникальность иона Gd3+ в том, что на его 4f-электронном подуровне размещаются семь неспаренных электронов, придающих иону большой магнитный момент, – именно это свойство гадолиния в последнее время все чаще и чаще эксплуатируется.

Одно из главных направлений применения гадолиния – устройства, которые могут использоваться в холодильных установках, для которых не нужны хладагенты. В настоящее время большая часть промышленных и бытовых холодильных установок поддерживают низкие температуры за счет процессов испарения хладагентов – хлорфтоуглеводородов (фреонов), применение которых может быть опасно для озонового слоя. Магнитные элементы, в которых уже работает гадолиний, создают низкую температуру в результате процесса, известного как адиабатическое размагничивание. Работает это следующим образом: под действием постоянного магнитного поля магнитные моменты, создаваемые неспаренными электронами, ориентируются по направлению поля, принимая минимальное значение потенциальной энергии; выделяющаяся при это теплота может отводиться с помощью системы воздушного или жидкостного охлаждения. При отключении магнитного поля магнитные моменты переходят из упорядоченного в хаотичное состояние, и происходит охлаждение материала. С помощью адиабатического размагничивания можно получать температуры вплоть до 0,001 K (Physical Review 1933. —vol. 43, iss. 9. – P. 768), этот способ охлаждения требует на 20–30% энергии меньше, чем привычные нам системы компрессорного охлаждения, к тому же «магнитным холодильникам» для работы не нужны фреоны.