Таблица Менделеева. Элементы уже близко - Аркадий Искандерович Курамшин

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 которых 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 – излучению света, возникающего 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 в 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 50 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.

Близкие химические свойства лантаноидов затрудняли (как, впрочем, и затрудняют сейчас) их выделение и разделение, и можно было бы подумать, что и области применения этих металлов будут близки (хотя и такое есть – например, мишметалл). Однако практическое применение соединений того или иного элемента зависит от их свойств, зачастую магнитных или электронных, а эти свойства определяются числом электронов, которое для каждого лантаноида своё, а значит, каждый из этих внешне одинаковых элементов может решать «свою персональную» задачу.

Так происходит и с диспрозием – йодид диспрозия совместно с йодидом цезия и бромидом ртути применяется в осветительных металлогалогеновых лампах. Это газоразрядные лампы, в которых основным источником света является йодид диспрозия, излучающий в широком диапазоне частот, что приближает излучаемый свет по свойствам к дневному солнечному свету, йодид цезия «калибрует» излучение диспрозия, заставляя лампу светить более тёплым или более холодным светом, а бромид ртути замедляет коррозию металлических электродов лампы. Первоначально такие источники света применялись в киностудиях, где с их помощью можно было задать нужную «температуру цвета» при съёмках, но сейчас металлогалогеновые лампы светят в автомобильных фарах и обычных квартирных светильниках.

Диспрозий, как и другие лантаноиды, отличается большим количеством неспаренных электронов, что