Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov<< Stroncii | Oglavlenie | Cirkonii >>
Ittrii
Izdatel'stvo "Nauka", 1977
Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002
Ostrov Ruslagen - odin iz mnogochislennyh ostrovkov na Baltike bliz stolicy Shvecii Stokgol'ma - znamenit tem, chto zdes' nahoditsya gorodok Itterbyu, nazvanie kotorogo otrazheno v imenah chetyreh himicheskih elementov - ittriya, itterbiya, terbiya i erbiya. V 1787 g. leitenant shvedskoi armii mineralog-lyubitel' Karl Arrenius nashel zdes', v zabroshennom kar'ere, neizvestnyi prezhde chernyi blestyashii mineral. Etot mineral nazvali itterbitom. Spustya 130 let finskii mineralog Flint skazhet, chto on "sygral v istorii neorganicheskoi himii, byt' mozhet, bol'shuyu rol', chem kakoi-libo drugoi mineral".
V etom utverzhdenii bezuslovno est' preuvelichenie. No tak zhe, bezuslovno, chto mineral, v kotorom nashli sem' novyh himicheskih elementov, - vesh' nezauryadnaya. Tem ne menee, ni v odnom mineralogicheskom spravochnike nazvaniya "itterbit" seichas ne naiti.
Pervym ser'eznym issledovatelem etogo minerala i pervootkryvatelem okisi ittriya byl finskii himik Yuhan Gadolin (1760...1852). Eto on, proanalizirovav itterbit, obnaruzhil v nem okisly zheleza, kal'ciya, magniya i kremniya, a takzhe 38% okisi neizvestnogo eshi elementa. Cherez tri goda shvedskii uchenyi Ekeberg podtverdil rezul'tat finskogo kollegi i vvel v himicheskii obihod nazvanie "ittrievaya zemlya". Pozzhe, eshe pri zhizni Gadolina, bylo resheno nazyvat' otkrytyi im element ittriem, a mineral iz Itterbyu pereimenovali v gadolinit.
Vprochem, vposledstvii okazalos', chto upominavshiesya 38% prihodyatsya na dolyu ne odnogo, a neskol'kih novyh elementov. "Rassheplenie" okisi ittriya zanyalo bol'she 100 let.
V 1843 g. Karl Mozander podelil ee na tri komponenta, tri okisla: bescvetnyi, korichnevyi i rozovyi. Tri okisla - tri elementa, nazvanie kazhdogo proishodit ot fragmentov takzhe "rassheplennogo" slova Itterbyu. Ot "itt" - ittrii (bescvetnaya okis'), ot "ter" - terbii (korichnevaya) i ot "erb" - erbii (rozovaya okis').
V 1879 g. iz okisi ittriya byli vydeleny okisly eshe treh elementov - itterbiya, tuliya i predskazannogo Mendeleevym skandiya. A v 1907 g. k nim pribavilsya eshe odin element - lyutecii.
Eto edinstvennyi sluchai v istorii nauki: odin mineral, prichem redkii mineral, okazalsya "hranitelem" semi novyh elementov.
S pozicii sovremennoi himii etot fakt legko ob'yasnim: elektronnoe stroenie atomov redkozemel'nyh elementov - a k nim otnositsya skandii, ittrii, lantan i 14 lantanoidov - ochen' shodno. Himicheskie svoistva ih, v tom chisle svoistva, opredelyayushie povedenie elementa v zemnoi kore, trudnorazlichimy. Ochen' blizki razmery ih ionov. V chastnosti, u ittriya i tyazhelyh elementov semeistva lantanoidov - gadoliniya, terbiya, disproziya, gol'miya, erbiya, tuliya - razmery trehvalentnogo iona prakticheski odinakovy, raznica v sotye doli angstrema.
Trudnost' vydeleniya ittriya (kak, vprochem, i lyubogo iz ego analogov) privela k tomu, chto na protyazhenii desyatiletii svoistva etogo elementa ostavalis' pochti ne izuchennymi. Pervyi metallicheskii ittrii (sil'no zagryaznennyi primesyami) poluchen Fridrihom Velerom v 1828 g., no i cherez 100 let plotnost' ittriya ne byla opredelena dostatochno tochno. Dazhe sostav okisi ittriya nikto ne opredelil verno do poyavleniya periodicheskogo zakona. Schitali, chto eto YO; pravil'nuyu formulu - Y2O3 - pervym ukazal Mendeleev.
Blizhaishii analog lantanoidov
K chislu "redkih zemel'" ittrii otnesli ne sluchaino. Vsem svoim oblikom i povedeniem on podoben lantanu i lantanoidam.
Ittrii legko rastvoryaetsya v mineral'nyh kislotah, krome, kak eto ni stranno, plavikovoi. V kipyashei vode on postepenno okislyaetsya, a na vozduhe pri temperature 400œC okislenie ittriya idet dostatochno bystro. No pri etom obrazuetsya temnaya blestyashaya plenka okisi, plotno okutyvayushaya metall i prepyatstvuyushaya okisleniyu v masse. Lish' pri 760œC eta plenka teryaet zashitnye svoistva, i togda okislenie prevrashaet svetlo-seryi metall v bescvetnuyu ili chernuyu (ot primesei) okis'.
Kak i mnogie lantanoidy, ittrii otnositsya k chislu dovol'no rasprostranennyh metallov. Po dannym geohimikov, soderzhanie ittriya v zemnoi kore 0,0028% - eto znachit, chto element N 39 vhodit v chislo 30 naibolee rasprostranennyh elementov Zemli. Tem ne menee, o nem do poslednego vremeni govorili i pisali kak o perspektivnom, no poka "bezrabotnom" elemente. Ob'yasnyaetsya eto prezhde vsego chrezvychainoi rasseyannost'yu elementa N 39, chto eshe raz podcherkivaet ego "krovnoe rodstvo" so skandiem, lantanom i lantanoidami.
Mineralov, v kotoryh obnaruzhen ittrii, izvestno bol'she sotni. On est' v polevyh shpatah i slyudah, mineralah zheleza, kal'ciya i marganca, v cerievyh, uranovyh i torcevyh rudah. No dazhe esli primes' ittriya sravnitel'no velika - 1...5% (napomnim, chto mednaya ruda, soderzhashaya 3% Cu, schitaetsya ochen' bogatoi), izvlech' chistyi ittrii chrezvychaino trudno. Meshaet shodstvo, prezhde vsego shodstvo s drugimi redkimi zemlyami i, bolee otdalennoe - s kal'ciem, cirkoniem i gafniem, uranom i toriem, drugimi "krupnoatomnymi" elementami (radius ionov 0,8...1,2
).
Ittrii plotno zapert v kristallicheskoi reshetke minerala i vyrvat' ego ottuda daleko ne prosto. Pravda, seichas uzhe vo mnogih stranah nalazheno poputnoe izvlechenie ittriya pri pererabotke cerievyh, uranovyh i torievyh rud; kak istochnik elementa N 39 ispol'zuyut i nekotorye mineraly samogo ittriya, prezhde vsego bastnezit. No vo vseh sluchayah izvlechenie etogo metalla - delo trudnoe i dolgoe.
Vot kak, k primeru, poluchayut ittrii iz ksenotima.
Kazalos' by, prosto. Formula minerala - YPO4. Davno izvestno, chto luchshe vsego vosstanavlivat' ittrii iz ego galogenidov. Znachit, nuzhno provesti obmennuyu reakciyu: vmesto fosfata ittriya poluchit' ftorid ili hlorid, a zatem vosstanovit' ego. Vsego dve proizvodstvennyh stadii - chego proshe!
No prosto vse lish' na bumage. V deistvitel'nosti v ksenotime, uzhe obogashennom na magnitnom separatore, vsego 36% Y2O3 (v vide fosfata) i 24% okislov drugih redkozemel'nyh elementov. I zdes' meshaet stavshaya uzhe pritchei vo yazyceh obshnost' vseh etih elementov.
"Vskryvayut" mineral, obrabatyvaya ego sernoi kislotoi pri vysokoi temperature. Poluchennyi rastvor podayut na ionoobmennuyu kolonnu, zapolnennuyu kationoobmennoi smoloi. Izbiratel'naya sposobnost' kationita ne slishkom vysoka: on prinimaet pochti vse trehvalentnye polozhitel'no zaryazhennye iony. Znachit, na etoi stadii ittrii otdelyaetsya lish' ot "nerodstvennyh" elementov, a redkozemel'nye ostayutsya v kolonne vmeste s nim.
Chtoby "smyt'" ittrii s kationita, cherez kolonku nachinayut propuskat' elyuent - rastvor etilendiamintetrauksusnoi kisloty. Takoi "dush" polezen potomu, chto na etoi stadii obrazuyutsya kompleksnye soedineniya ittriya i drugih redkih zemel', otlichayushiesya odno ot drugogo bol'she, chem klassicheskie soedineniya etih elementov, otchego iony ittriya i iony prochih redkozemel'nyh elementov uderzhivayutsya kationitom s neodinakovoi siloi. Znachit, v raznyh frakciyah elyuenta budut preobladat' uzhe raznye elementy.
Otobrav ittrievuyu frakciyu i podvergnuv ee dopolnitel'noi ochistke, na nee vozdeistvuyut shavelevoi kislotoi i poluchayut oksalat ittriya. Ego prokalivayut, prevrashaya v okis'. Etim sposobom na 12 kolonnah (vysotoi 3 i diametrom 0,75 m) za mesyac poluchayut chut' bol'she 100kg Y2O3. Vprochem, schitat' mesyachnuyu proizvoditel'nost' nerazumno: process dlitsya dva mesyaca. Vyhod 99,9%-noi okisi ittriya za dva mesyaca - 225 kg.
Eshe raz napomnim, chto opisannaya shema - odna iz mnogih; chashe vsego okis' ittriya poluchayut iz bastnezita sovsem drugim putem.
Okis' ittriya nahodit samostoyatel'noe primenenie. Izvestno, chto ona, kak i okis' skandiya, vhodit v sostav ferritov - elementov pamyati elektronno-vychislitel'nyh mashin.
Ot okisla k metallu
Posle togo kak ittrii otdelen ot osnovnoi massy redkozemel'nyh elementov, ego nuzhno vosstanovit'. Dlya etogo okis' prevrashayut v odin iz galogenidov ittriya, naprimer, vo ftorid:
Y2O3+6HF
(700œC)2YF3+3H2O.
Eto soedinenie smeshivayut s dvazhdy peregnannym metallicheskim kal'ciem, pomeshayut vse v tantalovyi tigel' i zakryvayut perforirovannoi kryshkoi. Tigel' otpravlyayut v kvarcevuyu indukcionnuyu pech'. Pech' zakryvayut, otkachivayut iz nee vozduh i nachinayut medlenno nagrevat'. Kogda temperatura dostignet 600œC, v pech' puskayut argon, a prekrashayut ego podachu, kogda davlenie v pechi dostignet 500 mm rtutnogo stolba. Zatem temperaturu povyshayut do 1000oC, i vosstanovlenie nachinaetsya. Reakciya 2YF3+3Ca2Y+3CaF2 - ekzotermicheskaya, i temperatura v pechi prodolzhaet rasti. Togda eshe "poddayut zharu", dovodyat temperaturu do 1600oC (v etih usloviyah luchshe razdelyayutsya metall i shlak), posle chego dayut pechi ostyt'.
Shlak legko otkalyvaetsya, i ostaetsya slitok ittriya chistotoi do 99%. Primes' kal'ciya bez truda udalyaetsya vakuumnoi pereplavkoi; trudnoe izbavit'sya ot tantala (0,5...2%) i kisloroda (0,05...0,2%). No i eto mozhno sdelat' i poluchit' slitki, prigodnye dlya promyshlennogo ispol'zovaniya i dlya utochneniya fiziko-himicheskih harakteristik elementa N 39.
Rasskazyvaya o svoistvah ittriya, oboroty "tol'ko odin" ili "tol'ko odna" mozhno primenit' lish' dvazhdy.
Vo-pervyh, dlya etogo elementa neprimenimo takoe obshee, kazalos' by, ponyatie, kak "prirodnaya smes' izotopov". Net u nego prirodnoi smesi: ves' estestvennyi ittrii - eto tol'ko odin stabil'nyi izotop ittrii-89.
I tol'ko odnu valentnost' (3+) proyavlyaet ittrii vo vseh izvestnyh soedineniyah. No, vozmozhno, eto utverzhdenie ne est' "istina v poslednei instancii". Slozhnosti polucheniya elementarnogo ittriya i vysokaya cena (kilogramm ittriya eshe nedavno stoil 440 dollarov) v techenie mnogih let sderzhivali issledovaniya elementa N 39 i ego soedinenii. Poetomu ne isklyucheno, chto kogda-nibud' budut polucheny soedineniya ittriya s "nestandartnoi" valentnost'yu, kak eto sluchilos', naprimer, s alyuminiem. Ved' vo vremena, kogda alyuminievaya posuda byla privilegiei korolei, ni odin himik ne podozreval o sushestvovanii soedinenii odnovalentnogo alyuminiya.
Ne tol'ko perspektivy
Ittrii dolgo hodil v "perspektivnyh". Eshe v knigah, izdannyh v nachale 60-h godov nashego veka, etot metall schitali perspektivnym i ne bol'she. Tak, vo vtorom izdanii izvestnogo angliiskogo spravochnika "Rare Metalls Handbook", vyshedshem v Londone v 1961 g., poslednyaya chast' razdela "Ittrii" posvyashena ne primeneniyu etogo elementa, a lish' perspektivam ego primeneniya. V "Kurse obshei himii" B.V.Nekrasova (izdanie 1962 g.) govoritsya: "Prakticheskogo primeneniya otdel'nye elementy podgruppy skandiya (a znachit, i ittrii. - Red.) i ih proizvodnye eshe ne nahodyat..." I eto otrazhalo istinnoe polozhenie veshei.
Mozhno bylo schitat' ittrii perspektivnym. Zalogom tomu - ego svoistva: vysokie temperatury plavleniya i kipeniya - sootvetstvenno 1520 i 3030oC; uprugost' primerno takaya zhe, kak u alyuminiya i magniya; prochnost', sravnimaya s prochnost'yu titana. I plyus k etomu otnositel'naya legkost' (plotnost' ittriya 4,47 g/sm3) i maloe effektivnoe sechenie zahvata teplovyh neitronov, t.e. sposobnost' pochti ne tormozit' cepnuyu reakciyu, esli ittrii primenen v konstrukcii atomnogo reaktora.
No po kazhdoi otdel'no vzyatoi harakteristike ittrii ustupal tomu ili inomu metallu. Aviakonstruktory i proektirovshiki novyh reaktorov mogut poka oboitis' bez nego. Oni, vidimo, ohotno primenili by ittrii, bud' on bolee dostupen, no kazhdyi raz zakladyvali v svoi proekty drugie materialy - ili s luchshimi "prirodnymi dannymi", ili menee deficitnye.
Lish' v poslednie gody polozhenie stalo menyat'sya. Vse chashe v pechati poyavlyayutsya soobsheniya o tom, chto ittrii i ego splavy primenili v tom ili inom detishe noveishei tehniki. V chastnosti, iz ittriya stali delat' truboprovody, po kotorym transportiruyut zhidkoe yadernoe goryuchee - rasplavlennyi uran ili plutonii. Ittrii vysokoi chistoty legko vytyagivaetsya v truby, horosho svarivaetsya v atmosfere inertnogo gaza i, chto ochen' vazhno, otlichno shlifuetsya. S uranom i plutoniem on prakticheski ne reagiruet, chto, estestvenno, delaet ittrievye truby bolee dolgovechnymi. Iz splavov ittriya s berilliem stali delat' otrazhateli i zamedliteli neitronov, rabotayushie v atomnyh reaktorah pri temperature bolee 1100oC.
Poyavilis' i pervye "signaly" o primenenii ittriya v aviastroenii. Eto tozhe ponyatno: izvestno, chto ittrii-alyuminievye splavy po prochnosti pochti ne ustupayut stali, chto dobavka elementa N 39 znachitel'no povyshaet prochnost' legkih aviacionnyh splavov na osnove magniya, osobenno pri povyshennyh temperaturah.
Nakonec, ittrii nachali primenyat' i kak "vitamin vitaminov". "Vitaminami stali" nazyvayut hrom, vanadii, molibden i drugie legiruyushie metally. Nebol'shie dobavki ittriya uluchshayut mnogie svoistva etih "vitaminov". Vsego 0,1...0,2% elementa N 39, dobavlennye v hrom, cirkonii, titan, molibden, delayut strukturu etih metallov bolee melkozernistoi. Oblagorozhennyi ittriem vanadii stanovitsya i bolee plastichnym - ittrii deistvuet kak raskislitel', svyazyvaet kislorod i azot, v rezul'tate chego promyshlennyi vanadii utrachivaet prisushuyu emu hrupkost'.
Nachinaetsya proniknovenie ittriya i v chernuyu metallurgiyu - rabota ego v kachestve legiruyushego metalla. Tak, nerzhaveyushaya stal', soderzhashaya 25% hroma, ustoichiva protiv okisleniya pri temperaturah do 1093oC. Dobavka 1% ittriya povyshaet etot predel do 1371oC.
Vse eti primery pokazyvayut, chto segodnya schitat' ittrii tol'ko "perspektivnym" nepravil'no, ego sluzhba lyudyam uzhe nachalas'. I my ne oshibemsya, utverzhdaya, chto v stat'e ob ittrii, kotoruyu napishut let cherez desyat', chislo podobnyh primerov stanet nesravnenno bol'she.
Fridrih Engel's pisal, chto kogda u obshestva poyavlyaetsya tehnicheskaya potrebnost', to ona prodvigaet nauku bystree, chem desyatok universitetov. Tehnicheskaya potrebnost' v ittrii uzhe poyavilas'.
Poputno izvlechennyi
Sobstvenno ittrievye mineraly (20...30% Y2O3,) - ksenotim Y2PO4, fergyusonit Y2Si2O4, evksentit YNbTiO6, talenit Y2Si2O7 i drugie - slishkom redki, chtoby schitat'sya real'nym istochnikom elementa N 39 v budushem. Budushee ittriya vo mnogom zavisit ot togo, naskol'ko uspeshno budet reshena problema kompleksnogo ispol'zovaniya gorno-himicheskogo syr'ya. Mnogie tysyachi tonn ittriya i drugih redkozemel'nyh metallov mozhno budet poluchat', v chastnosti, iz fosforitov Karatau i hibinskogo apatita. A poskol'ku ittrii predpolagaetsya izvlekat' poputno (iz nekotoryh mineralov ego uzhe poluchayut v processe kompleksnoi pererabotki), on budet stanovit'sya vse dostupnee i deshevle. Uzhe seichas za rubezhom rashoduyut bolee 100 t ittriya v god, i pochti ves' etot ittrii poputno izvlechennyi.
Mineral gagarinit
Sravnitel'no nedavno, v 1961 g., sovetskie mineralogi A.V.Stepanov i E.A.Severov obnaruzhili v Kazahstane skopleniya neizvestnogo ranee ittriisoderzhashego minerala. On byl nazvan gagarinitom v chest' pervogo kosmonavta. Analiz, vypolnennyi A.V.Bykovoi, pokazal, chto mineral predstavlyaet soboi shelochnoi ftorid kal'ciya i ittriya. Vsestoronnee kristallohimicheskoe issledovanie gagarinita, predprinyatoe A.A.Voronkovym, Yu.A.Pyatenko i N.G.Shumyackoi, privelo k polnoi rasshifrovke struktury minerala: ego formula NaYCaF6. Odin iz pervyh obrazcov gagarinita - krupnye svetlo-zheltye shestigrannye kristally - pervootkryvateli podarili Yuriyu Alekseevichu Gagarinu. Seichas druzu gagarinita mozhno uvidet' v Mineralogicheskom muzee ANSSSR im.A.E.Fersmana.
Ittrii i cvetnoe televidenie
Razvitiyu massovogo proizvodstva cvetnyh televizorov dolgo prepyatstvovala isklyuchitel'naya slozhnost' polucheniya svetyashihsya pokrytii dlya ih ekranov. Lyuminofory treh cvetov nuzhno nanesti tak, chtoby luch kazhdoi iz treh elektronnyh pushek vozbuzhdal lish' chasticy odnogo cveta. A ved' chasticy eti - ih na ekrane bolee milliona - dolzhny byt' racional'no "peremeshany". Otsyuda massa trebovanii k veshestvam, dayushim cvetnoe svechenie ekrana. Seichas za rubezhom chashe vsego primenyayut krasnye lyuminofory na osnove soedinenii ittriya. Yaponskie specialisty ispol'zuyut okis' ittriya, aktivirovannuyu evropiem, v drugih stranah rasprostranen vanadievokislyi ittrii, opyat'-taki aktivirovannyi evropiem. Dlya vypuska milliona trubok cvetnyh televizorov nuzhno, po yaponskim dannym, primerno 5 t chistoi okisi ittriya. Tak chto cvetnoe televidenie stanovitsya eshe odnim dovol'no krupnym potrebitelem elementa N 39.
Ittrii i keramika
Neskol'ko let nazad razrabotan novyi zharoprochnyi material cittrit. Eto melkozernistaya cirkonievaya keramika, stabilizirovannaya ittriem. Ona obladaet minimal'noi teploprovodnost'yu i sohranyaet svoi svoistva do 2200oC. Drugoi keramicheskii material, izvestnyi pod nazvaniem ittrii-loks, - tverdyi rastvor dvuokisi toriya v okisi ittriya. Dlya vidimogo sveta etot material prozrachen, kak steklo, i, krome togo, on horosho propuskaet infrakrasnoe izluchenie. Poetomu ego mozhno ispol'zovat' dlya izgotovleniya infrakrasnyh "okon" special'noi apparatury i raket, a takzhe vstavlyat' v smotrovye "glazki" vysokotemperaturnyh pechei. Plavitsya ittriiloks lish' pri 2204oC.
Pyatnadcat' protiv odnogo
Na odin stabil'nyi izotop ittriya 89Y prihodyatsya pyatnadcat' radioaktivnyh s massovymi chislami ot 82 do 97 i periodami poluraspada ot minuty do 105 dnei. Nekotorye iz etih izotopov obrazuyutsya pri spontannom delenii yader urana. Imenno poetomu v tablice Mendeleeva ukazano, chto atomnaya massa prirodnogo ittriya ravna 88,905, a ne rovno 89. Naibolee izuchen radioaktivnyi ittrii-91, obrazuyushiisya, v chastnosti, pri yadernyh vzryvah. Naryadu so stronciem-90 etot izotop schitaetsya odnim iz naibolee opasnyh produktov raspada. Opasen i dochernii produkt stronciya-90 - ittrii-90. Eti izotopy nakaplivalis' v mirovom okeane v rezul'tate eksperimental'nyh yadernyh vzryvov i zahoroneniya na okeanskom dne radioaktivnyh othodov. Uchenye schitayut, chto oni stali prichinoi sushestvennogo umen'sheniya rybnyh zapasov mirovogo okeana.
<< Stroncii | Oglavlenie | Cirkonii >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
