ИЗОБИЛЬНЫЙ, НО РЕДКИЙ
В качестве первой иллюстрации важности международного спора – история одного элемента, по многим химическим свойствам сходного с так называемыми редкоземельными металлами (РЗМ). В это семейство в строгом смысле слова включены только 15 очень похожих друг на друга элементов, идущих в таблице Менделеева подряд, начиная с лантана. Их подразделяют на две группы: иттриевую (тяжёлые РЗМ), включающую гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, и цериевую (лёгкие РЗМ) – лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий и европий. Диапазон их распространённости в земной коре довольно широк: от 0,003% по массе для лантана до 0,00008% для тулия и лютеция. О них подробнее расскажем ниже. Но зачастую к редкоземельным причисляют и ещё два довольно сходных как химически (ибо находятся в той же третьей колонке таблицы Менделеева), так и физически: иттрий и тему этого рассказа – скандий.
Это металл (как большинство металлов, в чистом виде серебристого цвета). Плотность немногим больше, чем у алюминия. Но при этом температура плавления приближается к температуре плавления стали. Этого металла на планете в 60 раз больше, чем серебра, чуть меньше, нежели свинца, и почти в 500 раз больше, нежели ртути, тем не менее, на мировом рынке этот металл дороже золота.
В начале 1869-го года гениальный русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев разослал по всем научным учреждениям страны и зарубежья «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». Эта работа ещё не была периодической системой, с которой каждый из нас познакомился в виде знаменитой таблицы в школьном кабинете химии – наглядное табличное представление появилось только через два года.
Но что важно: в этой таблице стояли пустые клетки для 21-го, 31-го и 32-го элементов, причём в них были уже вписаны, например, вычисленные теоретически атомные веса и многие свойства неизвестных веществ. Элемент 21 Дмитрий Иванович назвал экабором, исходя из того, что он следует под элементом «бор», а слог «эка» – производное от санскритского «один». 31-й и 32-й элементы получили условные названия «экасицилий» и «экаалюминий».
В том же году Менделеев теоретически вычислил и весьма подробно описал все ключевые физические и химические свойства трёх «пустых» элементов.
Уже при жизни Менделеева – всего через 8 лет после публикации его таблицы – шведский химик Нильсон, работая над выделением редкоземельного элемента иттербия, случайно обнаружил новый редкоземельный элемент. Его свойства удивительным образом совпадали со свойствами описанного Менделеевым экабора. В честь своей родины Нильсон назвал этот элемент скандий.
В 1875-м году открыт элемент галлий – тот самый экаалюминий, а в 1886-м году – германий – экасицилий. Далее по предсказанию Менделеева уже после его смерти – в 1920-х годах – открыты рений и гафний.
Скандий воистину стал крылатым металлом XXI века. Дело в том, что крошечные добавки его к алюминию резко изменяют свойства сплава. Скандий очень дорог из-за трудности добычи, но на легирование алюминия его нужно так мало, что затраты более чем окупаются. Например, примесь 0,1–0,3% скандия увеличивает прочность и теплостойкость алюминиевых сплавов в 3–4 раза, причём они становятся способны к свариванию. В частности, обшивка советского космического челнока «Буран» сделана из алюминий-скандиевого сплава. Такие сплавы очень удобны в конструкциях самолётов, ракет, скоростных поездов и автомобилей.
Скандий повышает и радиационную стойкость многих соединений. В производстве компьютеров используют синтетические гранаты германий-гадолиний-скандиевого состава. Эти же гранаты – но с добавкой неодима и меди – основа многих видов мощных лазерных установок.
Сплав магния и скандия используют в водородной энергетике.
СССР, развивая высокие технологии и глядя в будущее, ещё в начале 1960-х годов начал поиски, разведку и добычу скандиевого сырья. В итоге в течение многих лет СССР занимал первое место в мире по получению скандия. Если во всём остальном мире добывались сотни килограммов, то в СССР ежегодная добыча достигала 10 тонн!
Согласно советской программе, предусматривалось ежегодное производство 1000 тонн высококачественных алюминий-скандиевых сплавов. Это позволило бы совершить технический прорыв в самолёто- и ракетостроении. Потребителями скандия были ВПК и авиакосмические отрасли, металл также шёл на экспорт, но в гражданском хозяйстве его использовали мало.
Как мы видим из вышеописанных характеристик распространённости скандия, название «редкоземельные элементы» некорректно. Эти элементы не редки на Земле, но нигде не сконцентрированы. Поэтому их на порядки сложнее добывать, чем традиционные химические элементы. А ведь многих традиционных на планете даже меньше, чем так называемых «редкоземельных». Правильнее было бы их назвать «рассеянноземельные элементы». Они очень и очень распылены в земной коре. Именно это – их основная характеристика с точки зрения добычи. В любом случае мы здесь будем использовать аббревиатуру «РЗЭ», ибо её можно расшифровать обоими указанными способами.
