Лантаноиды

сплавов. 5%-ная добавка неодима вдвое увеличивает предел прочности алюминия (с 5 до 10 кг/мм2). Во много раз возрастает и твёрдость сплава. Подобным образом действует неодим и на свойства тана: добавка 1,2% добавка неодима увеличивает предел прочности титана до 48—50 кг/мм2. Для сравнения, примерно такая же добавка циркония увеличивает предел прочности титана с 32 до 38—40 кг/мм2. В данном случае используют оксид неодима очень высокой чистоты (99,996%). Предел длительной прочности таких сплавов при повышенных температурах намного больше, чем магниевых сплавов, легированных иными элементами. Эффективное действие, по мнению специалистов, объясняется тем, что неодим обладает максимальной растворимостью в магнии, которая способствует наибольшему эффекту упрочнения сплава в результате термической обработки. Скорость диффузии неодима в магнии по сравнению с другими лантаноидами оказывается наименьшей – это служит причиной меньшей скоростью разупрочнения сплава при повышенных температурах, а, следовательно, более высокой жаропрочности. Алюминий, легированный неодимом, химически взаимодействует с ним, образуя соединения состава NdAl2 и NdAl4.

Пятипроцентная добавка гадолиния заметно повышает прочность и предел текучести сплавов на титановой основе. Диспрозиевые добавки (вместе с эрбием и самарием) применяют к сплавам на основе циркония. Такие сплавы намного лучше, чем чистый цирконий, подаются обработке давлением. Возможно также и легирование цинка диспрозием.

Соединения гадолиния сохраняют магнитные свойства. При сверхнизких температурах сплав гадолиния с церием и рутения приобретает сверхпроводимость, являясь идеальным проводником электричества. Оксид гадолиния (III), добавленный к ферритам, позволяет увеличить контрастность рентгеновских снимков, а борид (GdB) позволяет создавать катоды электронных приборов с очень большими сроками действия. Таким образом, для магнетохимии представляют непреходящий интерес и сам гадолиний, и его соединения, и сплавы. Другой сплав гадолиния — с титаном — применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп. Этот сплав впервые получен в нашей стране.

Интерметаллиды самария являются превосходным материалом для создания сильных постоянных магнитов - SmCo5, входящие в состав сплава самария с кобальтом. Такой магнит размером с кулак может поднять "Жигули" с четырьмя пассажирами! Сплавы лантаноидов весьма многочисленны. Их сплавы с тяжёлыми металлами приводят к резкому улучшению качества жаропрочных сталей. Немаловажное значение имеет применение лантаноидов как раскислителей и для удаления вредных примесей. Добавка всего 3% лантаноидов позволяет из лёгких магниевых сплавов готовить детали, способные работать при повышенных температурах.

Вторая не менее важная область применения лантаноидов – атомная энергетика. У гадолиния – 157 (его доля в природной смеси — 15,68%) сечение захвата превышает 150 000 барн. Это "рекордсмен" среди всех стабильных изотопов. Большое сечение захвата гадолиния дает возможность применять его при управлении цепной ядерной реакцией и для защиты от нейтронов. Ещё в начале 60 – Х годов управляющие стержни для некоторых атомных реакторов в США начали делать из нержавеющей стали с присадками гадолиния. Однако, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (Gd – 155 и Gd - 157) в реакторах довольно быстро "выгорают" — превращаются в "соседние" ядра, у которых сечение захвата намного порядков меньше. Самарию также свойственно большое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов — около 6500 барн. Это больше, чем у традиционных материалов регулирующих стержней атомных реакторов — бора и кадмия, поэтому его применяют как замену гадолинию в стержнях атомных реакторов.

Прометий – 147 используют в миниатюрных (не более канцелярской кнопки) атомных батарейках. Они способны давать энергию в течение нескольких лет. На одну батарейку расходуется всего 5 мг прометия-147. Такие батарейки используют как источники энергии в космических кораблях, радиоустройствах, слуховых аппаратах, часах. Прометиевые батарейки предполагалось использовать на космических кораблях, в управляемых снарядах, радиоустройствах, часах и даже слуховых аппаратах. В такой атомной батарейке происходит двукратное преобразование энергии. Сначала излучение прометия заставляет светиться специальный люминесцирующий состав (фосфор), а эта световая энергия преобразуется в электрическую в кремниевом фотоэлементе. Оксид прометия – 147 (Pr2O3) в количестве 5 мг смешивается с тонко измельчённым фосфором, который поглощает β – излучение и превращает его энергию в красный или инфракрасный поток. Особенность прометия-147 в том, что он практически не дает γ - лучей, а лишь мягкое β - излучение, задерживаемое даже тонким слоем фосфора и корпусом батарей.

Радиоактивные изотопы диспрозия короткоживущи, за исключением диспрозия-159 (его период полураспада 134 дня). Используется и другой радиоактивный изотоп диспрозия с массовым числом 165 в качестве радиоактивного индикатора при химических исследованиях. Для атомной энергетики диспрозий представляет ограниченный интерес, поскольку сечение захвата тепловых нейтронов у него достаточно велико (больше 1000 барн) по сравнению с бором или кадмием, но намного меньше, чем у некоторых других лантаноидов — гадолиния, самария... Правда, диспрозий более тугоплавок, чем они, и это в какой-то мере уравнивает шансы.

Несколько лет назад учёные открыли, что ион Но3+ может быть употреблен для возбуждения лазерного излучения в инфракрасной области. Но подобными же свойствами обладают ионы других лантаноидов — разница лишь в длине излучаемых волн. В лазерах также применяют и микропримеси тулия. Такие же микропримеси тулия вводят и в полупроводниковые материалы (в частности, в арсенид галлия) Но, как это ни странно, важнее, чем стабильный природный изотоп тулия (Тu - 169), оказался радиоактивный тулий-170. Данный изотоп образуется в атомных реакторах при облучении нейтронами природного тулия. Этот изотоп с периодом полураспада 129 дней излучает сравнительно мягкие γ - лучи с энергией 84 Кэв. На основе этого изотопа были созданы компактные рентгено-просвечивающие установки, имеющие массу преимуществ перед обычными рентгеновскими аппаратами. В отличие от них тулиевые аппараты не нуждаются в электропитании, они намного компактнее, легче, проще по конструкции. Миниатюрные тулиевые приборы пригодны для рентгенодиагностики в тех тканях и органах, которые трудно, а порой и невозможно просвечивать обычными рентгеновскими аппаратами. γ - лучами тулия просвечивают не только живые ткани, но и металл. Тулиевые гамма - дефектоскопы очень удобны для просвечивания тонкостенных деталей и сварных швов. При работе с образцами толщиной не больше 6 мм эти дефектоскопы наиболее чувствительны. С помощью тулия-170 были обнаружены совершенно незаметные письмена и символические знаки на бронзовой прокладке ассирийского шлема IX века до н. э. Шлем обернули фотопленкой и стали просвечивать изнутри мягкими γ - лучами тулия. На проявленной пленке появились стертые временем знаки. Кроме дефектоскопов препараты тулия-170 используют в приборах, называемых мутнометрами. По рассеянию γ - лучей этими приборами определяют количество взвешенных частиц в жидкости. Для тулиевых приборов характерна компактность, надежность, быстродействие. Единственный их недостаток — сравнительно малый период полураспада тулия-170. Тулиевые γ - источники становятся дешевле по мере увеличения их производства. Сегодня этот элемент (и его соединения) довольно важен для атомной энергетики.

Сплавы церия с плутонием и торием используется в качестве ядерного топлива.

Оптическая промышленность тоже является хорошим потребителем лантаноидов и их соединений. Широко используют оксид лантана – главный компонент оптических стёкол. Добавление оксида лантана в стёкла повышает их показатель преломления и даёт возможность уменьшить размеры фотообъектива при той же светосиле и намного улучшить качество цветной съёмки. Радиационно-оптическую устойчивость стекол повышает CeO2. Он же увеличивает прозрачность стекла, а порошком полиритом, где церия более 45%,шлифуют оптические и зеркальные стёкла. Содержащие примеси церия стёкла не тускнеют под действием радиации, отсюда его применение в атомной технике. Оптическое действие СеО2 объясняется его способностью переводить ионы Fe2+ в ионы Fe3+. Оксид празеодима окрашивает стёкла в зелёный цвет. Вместе с неодимом и церием празеодим входит в состав защитных стёкол для сварочных работ. Неодимовые стёкла используют в лазерах. Оксид неодима (III) при содержании его не ниже 4,3% придаёт стеклу так называемый "александритовый" эффект – способность менять свою окраску в зависимости от освещения. Художественные изделия из сортового неодимового стекла российского производства не раз с успехом демонстрировались на международных выставках. Неодимовое стекло используют не только для изготовления красивых ваз и художественных изделий. Ион Nd3+ дает лазерное излучение в инфракрасной области спектра. Для специальных стекол получают окись неодима чрезвычайно высокой чистоты—99,996% Nd2O3. Самарий вводят в состав стекол, способных люминесцировать и поглощать инфракрасные лучи. Празеодим окрашивает стекло в светло – зелёный цвет, церий – в светло – жёлтый. Важное значение приобрел европий как активатор люминофоров. В частности, окись, оксисульфид и ортованадат иттрия YVO4, используемые для получения красного цвета на телевизионных экранах, активируются микропримесями европия. Имеют практическое значение и другие люминофоры, активированные европием. Основу их составляют сульфиды цинка и стронция, фториды натрия и кальция, силикаты кальция и бария.

Многие лантаноиды применяют и в керамике. Керамику с добавками церия используют в ракетостроении: она тугоплавка. На основе иттрия с добавлением циркония делается жаропрочная керамика. Некоторые её разновидности прозрачны как стекло. Керамические материалы, в которые входит окись самария (порошок бледно-кремового цвета), стали использовать в качестве защитных материалов в реакторостроении. Оксиды гадолиния, самария и европия входят в состав защитных керамических покрытий от тепловых нейтронов в ядерных реакторах. Церий используется в газокалильных лампах. Колпачки, пропитанные оксидами церия и тория, надевают на газовые рожки, что значительно улучшает освещение. Чтобы сделать свет ярче, в состав углей, между которыми вспыхивает дуга, вводят CeF3. Радиоактивность некоторых изотопов лантаноидов нашла применение в медицине. Радиоактивный европий, получающийся в атомных реакторах, используется при лечении некоторых форм рака, так как обладает очень мягким излучением. Соли эрбия способствуют увеличению гемоглобина и количества эритроцитов, а также входит в состав некоторых мазей для бальзамирования. Радиоактивный изотоп европий – 155 (Т12=1,81г) применяется в медицинской диагностике. Салициловокислый дидим — смесь соответствующих солей празеодима и неодима — входит в состав антисептического средства "дималь".

Не обделили лантаноиды и химическую отрасль. Соединения лантаноидов используются в качестве катализаторов. Способность их соединяться с атмосферными газами используется для создания высокого вакуума. Оксид празеодима (III) полезен для каталитического процесса низкотемпературного окисления аммиака. Этот же оксид применяют как диэлектрик с минимальным коэффициентом теплового расширения. Радиоактивный изотоп Но – 166 используют в аналитической химии в качестве радиоактивного индикатора. С помощью сульфата гадолиния [Gd2(SO4)3•8H2O] и хлорида гадолиния удалось получить температуру, лишь на 0,0002К отличающееся от абсолютного нуля.

Весьма крупной областью применения оксидов лантаноидов являются абразивные материалы, например, хорошо известный состав "полирит". Это самый эффективный порошок для полировки.

Лантан и его аналоги нашли применение и в других областях современной техники - радиоэлектронике, электротехнике, лазерах, ЭВМ, телевидении, светотехнике, кожевенной и текстильной промышленностях. Без сомнения через некоторое время область применения лантаноидов намного расширится, поскольку они обладают набором таких уникальных свойств, которыми не обладает ни один из химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева.

Заключение

В данной курсовой раскрыты основные аспекты знакомства с лантаноидами: общая характеристика, нахождение в природе, физические и химические свойства, характеристические соединения, их получение и применение.

Данная тема не включена в школьную программу по химии и вынесена на факультативные занятия или на самостоятельное изучение. Впервые с лантаноидами учащиеся знакомятся при изучении строения атома и периодического закона. Больше о лантаноидах в программе ничего нет.

В ВУЗах данная тема хоть и включена в программу изучения химии элементов, но она вынесена на самостоятельное изучение.

Не надо считать, однако, что все проблемы, связанные с "узлом" в периодической системе, уже разрешены. В наши дни особенно актуально звучат слова Дмитрия Ивановича Менделеева о лантаноидах: "Тут скопилось за последние годы очень много нового"... Однако считать, что познано все и вся, что редкоземельная тематика себя исчерпала, могут только дилетанты. Специалисты же, напротив, уверены, что познание лантана и его команды только начинается, что эти элементы еще не раз удивят научный мир.

Список литературы

1) Ахметов Н. С. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2001 г.

2) Большой Энциклопедический словарь М.: Просвещение, 2001г.

3) Комкова Е. Г. "Группа химических астероидов" кн.3 из серии "Элементы периодической системы Менделеева" М.: Просвещение, 1984г.

4) Леенсон И. А. "Чёт или нечёт? Занимательные очерки по химии" М.:Химия, 1987г

5) Любимов И. М. "Редкие элементы" М.: Просвещение, 1977г.

6) Рич В. "В поисках элементов" М.: Просвещение, 1985г

7) CD – ROM "Рефераты и курсовые по химии" (реферат - "лантан")

8) Угай Я. А. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2002г.