Длительные трудности с выделением металлического европия, как, впрочем, и его высокая цена связана 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.
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 которой 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 размещается 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 работают 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 2030 % энергии меньше, чем привычные нам системы компрессорного охлаждения, к тому же «магнитным холодильникам» для работы не нужны фреоны.
Магнитные свойства иона гадолиния также успешно применяются как контрасты для магнитно-резонансной томографии, метода медицинской диагностики, который позволяет получать изображения наших тканей и органов. Когда МРТ-исследования применяются для диагностики кровеносной системы или опухолей, гадолинийсодержащие контрастные агенты вводятся внутривенно для улучшения качества изображения.
Радиус иона Gd3+ аналогичен радиусу Ca2+, но заряд гадолиниевого иона больше. Это означает, что простые соли гадолиния нельзя вводить человеку в кровь организм может «принять» их за кальций, из-за чего нарушится работа ряда биохимических реакций, управляемых ионами кальция. Чтобы обезопасить пациента от токсичного гадолиния, ион Gd3+ «вкладывают в конверт» получают комплекс иона с лигандом диэтилентриаминпентауксусной кислотой. С ионом гадолиния связывается одновременно восемь атомов из состава лиганда, что исключает попадание свободного иона в кровь человека (на магнитные свойства иона это связывание не влияет). Комплекс абсолютно безопасен, он циркулирует по кровеносной системе пациента, облегчая диагностику с помощью МРТ, и через некоторое время выводится почками в неизменном виде, не причиняя вреда организму. В целом, для гадолиния постоянно находятся все новые области применения, как, впрочем, и для других редкоземельных элементов, внезапно оказавшихся востребованными в начале XXI века.
65. Тербий
Тербий, ещё один элемент, обнаруженный в той самой руде из-под селения Иттербю, и один из четырёх, названных в честь этого населённого пункта (кроме тербия это иттрий, эрбий и иттербий). Соединения тербия впервые были выделены профессором химии и минералогии Каролинского института в Стокгольме Карлом Густавом Мосандером. Мосандер показал, что оксид иттрия загрязнён двумя другими оксидами окрашенным в жёлтый цвет оксидом тербия и розоватым оксидом эрбия. Чистые соли тербия удалось получить только в начале XX века с помощью ионного обмена. Это удалось французскому химику Жоржу Урбэну.
Соединения тербия обычно содержат его ион со степенью окисления +3, который стабилен в водном растворе, однако существуют и соединения, в тербий приобретает необычную для лантаноидов степень окисления +4 (правда, соединения, содержащие ион Tb4+, сохраняют устойчивость только в кристаллическом состоянии) в четырёхокисленном состоянии электронная оболочка тербия идентична по строению оболочке иона Gd3+. Те свойства соединений тербия, благодаря которым они находят применение, являются следствием их оптических и спектральных свойств, тербий вообще можно назвать одним из самых красочных и изученных лантаноидов.
Ион тербия +3 отличается радующим глаз зелёным флуоресцентным излучением (зелёное излучение появляется при облучении производных тербия ультрафиолетом с соответственно подобранной длиной волны). Человеческое зрение особенно чувствительно к зелёному цвету, и флуоресценцию тербия можно заметить даже при небольшом количестве его соединений. Эта особенность тербия делает его производные особенно полезными для производства цветных люминофоров.
Некоторые соединения тербия отличаются весьма экзотическим свойством они способны к триболюминесценции излучении света, возникающем при разрушении кристаллических тел, то есть, трещину в кристалле триболюминесцирующего вещества можно обнаружить по характерному свечению. Триболюминесценция производных тербия применяется в волоконно-оптических сенсорах, измеряющих степень механического воздействия на материал давления, напряжения и вибраций разной природы. Предполагается разработка тербийсодержащих сенсоров, которые будут искать дефекты в крыльях и корпусе летательных аппаратов.
Тербийсодержащие соединения молекулярного строения активно применяются в молекулярной биологии и медицинской диагностики длительность флуоресценции производных тербия больше, чем у органических флуоресцирующих материалов, к тому же для взаимодействия с тербием можно подобрать такие лиганды, которые будут способствовать тому, что флуоресцентное излучение будет появляться только при контакте с определёнными веществами (например люминесцентные сенсоры на основе тербия применяются для измерения концентрации кислорода в крови). Люминофоры с тербием также могут наноситься на банкноты и документы в качестве защитных меток (иногда совместно с европием), некоторые производные тербия вместе с гадолинием работают в магнитных холодильниках.
Находит применение и металлический тербий. Сплав тербия, железа и диспрозия, известный как терфенол-D, проявляет магнитострикционный эффект меняет объём и линейные размеры при различной намагниченности. Терфенол используется и для изготовления сонаров подводных лодок, и развлечениях выполненная на основе этого сплава игрушка «SoundBug» может превратить в динамик практически любую поверхность стол или стену, заставляя их вибрировать соответствующим образом.
66. Диспрозий
Третий компонент терфенола-D, лантаноид диспрозий, стал ещё одним химическим элементом, который удалось открыть с помощью метода спектроскопии. Так уж получается, что изобретение нового метода или лабораторного устройства позволяло раз за разом находить похожие друг на друга объекты. Так, обнаружение инертных газов было бы невозможно без сосуда Дьюара, трансурановые элементы стали появляться один за другим благодаря созданию атомных реакторов и радиохимии, ну а лантаноиды обязаны своим открытием спектроскопу Бунзена и Кирхгофа.
В 1886 году Эмиль Лекок де Буабодран, уже открывший к тому времени галлий и выделивший самарий из минерала самарскита смог получить чистый оксид диспрозия, выделив его из оксида гольмия с помощью дробной кристаллизации, повторяя процедуры осаждения и растворения фракций около пятидесяти раз, каждый раз проверяя осадок на чистоту с помощью спектроскопии. Когда, наконец, чистый оксид нового элемента был выделен, де Буабодран назвал элемент диспрозием от греческого «диспрозитос» трудно получить. Металлический диспрозий в 1906 году получил соотечественник Буабодрана Жорж Урбэн.
В 1886 году Эмиль Лекок де Буабодран, уже открывший к тому времени галлий и выделивший самарий из минерала самарскита смог получить чистый оксид диспрозия, выделив его из оксида гольмия с помощью дробной кристаллизации, повторяя процедуры осаждения и растворения фракций около пятидесяти раз, каждый раз проверяя осадок на чистоту с помощью спектроскопии. Когда, наконец, чистый оксид нового элемента был выделен, де Буабодран назвал элемент диспрозием от греческого «диспрозитос» трудно получить. Металлический диспрозий в 1906 году получил соотечественник Буабодрана Жорж Урбэн.