Элементы с порядковыми номерами 99 и 100 были открыты в ноябре 1952 г., когда американцы осуществили термоядерный взрыв на коралло­вом острове Бикини в южной части Тихого океана. В результате взрыва возникло радиоактивное облако диаметром примерно 200 км. В эпицентр были направлены беспилотные радиоуправляемые самолёты. Полученные с них данные указывали на то, что часть атомов урана, входившего в состав термоядерного устройства, захватили до 17 нейтронов. Радиоактивный рас­пад образовавшихся при этом сверхтяжёлых изотопов урана последова­тельно порождал трансурановые элементы, вплоть до элементов с поряд­ковыми номерами 99 и 100. Чтобы выделить возможно большее их количество, исследователям пришлось переработать тонны кораллов, со­бранных в районе взрыва. Впоследствии эти элементы удалось получить и в ядерном реакторе. Они были названы эйнштейнием (Es) и фермием (Fm).

Вторую сотню химических элементов в таблице Менделеева открывает эле­мент, названный в честь её создателя. Увлекательную и захватывающую исто­рию открытия 101-го элемента расска­зали Альфред Гиорсо, Беруэлл Харви, Грегори Чоппин и Стенли Томпсон — сотрудники Гленна Сиборга, получив­шего в 1951 г. Нобелевскую премию за изучение химических свойств трансура­новых элементов.

«Новый элемент — менделевий был получен путём бомбардировки эйнштей­ния, 99-го элемента, ядрами гелия. Ядер­ная реакция предельно проста: ²⁵³₉₉Es+⁴₂He ®²⁵⁶₁₀₁Md+¹₀n. Мы осуществили её в циклотроне, где пучок ядер гелия уда­ряется о небольшую мишень. Мишень — это кусочек очень тонкой золотой фоль­ги, на заднюю поверхность которой нанесён электролитическим способом неразличимый простым глазом слой эйн­штейния — не более, чем несколько мил­лиардов атомов. Если некоторые атомы эйнштейния превратятся в результате бомбардировки в менделевий, то они должны покинуть мишень, будучи выби­ты из неё при соударении с ядрами ге­лия. Позади мишени расположена ещё одна золотая фольга, которая захваты­вает атомы нового элемента, как только они вылетают из мишени. Ядра гелия, об­ладающие большой скоростью, были по­лучены  на старом полутораметровом циклотроне, расположенном на спортив­ной площадке Калифорнийского универ­ситета в Беркли. Если позволить мощно­му потоку ядер гелия пройти мимо мишени и вырваться наружу, в воздух, то его можно увидеть — это узкий голубой пучок света. Его даже можно сфото­графировать через полутораметровый слой воды, который служит смотровым окном, ведущим в помещение, где распо­ложен циклотрон. Это и есть тот самый пучок, который падает на мишень и, при­бавляя два протона гелия к 99 протонам эйнштейния, превращает последний в менделевий.

Большие надежды как на перспективное ядерное топливо в своё время воз­лагались на изотоп калифорния ²⁵¹Cf, который по ядерным свойствам бли­зок урану-235. Однако практический интерес к нему остыл после того, как была определена критическая масса этого изотопа: она составляет всего... 10 г. Мощность происходящего при такой массе миниатюрного ядерного взрыва может быть использована лишь в специальных пулях или снарядах.

Природный уран представляет собой смесь трёх изотопов: ²³⁵U (0,72%), ²³⁸U (99,274%) и ²³⁴U (0,006%). Для нужд ядерной техники часто необхо­дим уран, обогащённый изотопом ²³⁵U.

 

Урановая руда и оксид ypaнa(IV).

Это ставит перед исследовате­лями нелёгкую задачу разделения изотопов. В промышленности наи­большее распространение приобрёл газодиффузионный метод, осно­ванный на неодинаковой скорости диффузии (проникновения) частиц с различной массой через пористую перегородку — мембрану. Для выде­ления изотопа ²³⁵U весь металл пере­водят во фторид UF₆ — легколетучее кристаллическое вещество. Процесс разделения повторяют многократно с помощью специального каскада с большим числом ячеек, содержащих пористые перегородки. Для обогаще­ния урана изотопом 235 от исходно­го его содержания в природной сме­си до 95% требуется каскад в 5 тыс. ступеней.

Уран принадлежит к числу редких элементов. Однако в земной коре его 2•10^-4%, т. е. больше, чем кадмия, се­ребра, ртути и висмута. Известно око­ло 200 минералов урана, большинст­во из них — оксиды переменного состава или сложные уранаты (напри­мер, карнотит К₂О•2UO₃•V₂O₅•3Н₂О, названный в честь французского гор­ного инженера М. А. Карно). Неболь­шое количество урана содержится также во фторапатите Са₅(РО₄)₃(ОН, F), монаците, некоторых глинах и сортах гранита. Простейший мине­рал — уранинит UO_2+x, Это диоксид урана, подвергшийся частичному окислению кислородом воздуха либо кислородом, выделившимся в результате перестройки структуры оксида UO₂ при радиоактивном превраще­нии урана в свинец: при этом образу­ется оксид PbО, а избыточный кисло­род, выделяющийся в свободном виде, окисляет уран. Урановая руда считает­ся богатой, если содержит от 0,5 до 1% урана. На заводах по переработ­ке урановых руд уранинит обогащают, а затем отделяют уран от примесей и выделяют в виде оксида UO₂.

Для получения металлического урана диоксид переводят в тетрафторид: UO₂+4HF=UF₄+2H₂O и потом восстанавливают металлотёрмически: UF₄+2Mg®^t°U+2MgF₂. Возника­ет вопрос: зачем надо превращать оксид во фторид, если уран можно по­лучать и напрямую из оксида, восста­навливая его кальцием или магнием? Восстановление из фторида пред­почтительнее, потому что только в этом случае выделяющегося в ходе ре­акции тепла достаточно для расплав­ления и металла, и шлака. Когда рас­плав охлаждают, образуется слиток урана. А при восстановлении оксида уран получается в виде порошка, ко­торый трудно отделить от шлака.

Актиниды — тугоплавкие металлы се­ребристого цвета. Как и 4f-элементы, они обладают высокой химической активностью. Однако, по сравнению с лантанидами, между отдельными пред­ставителями семейства актинидов раз­личий больше: у каждого из них свои особенности. Из всех представителей семейства наибольшее практическое значение имеет уран. Одно время, на заре ядерных исследований, XX век называли даже веком урана.

По внешнему виду уран напоми­нает сталь: легко поддаётся ковке, полировке, прокатке, тугоплавок (t_пл=1130 °С). Уран — плохой провод­ник тепла и электричества: его тепло­проводность в 13 раз меньше теп­лопроводности меди.

Трансурановыми назы­вают элементы, располо­женные в периодической системе за ураном, т. е. име­ющие порядковый номер больше 92.

В отличие от лантанидов, все 5f-элементы радиоактивны, т. е. не имеют стабильных изотопов. И если для тория и урана существуют изотопы, период полураспада которых измеря­ется миллиардами лет, то время жиз­ни трансурановых, т. е. следующих за ураном, элементов, как правило, уменьшается с увеличением порядко­вого номера. Очевидно, что если элемент живёт лишь доли секунды,

это создаёт значительные трудно­сти в изучении его химических свойств.

Из всего семейства актинидов в природе в заметном количестве встречаются лишь торий и уран, на­ходящиеся в начале ряда. Остальные элементы являются искусственными, синтезированными человеком. Одни из трансурановых элементов выделе­ны в количествах сотен тонн (Pu), для других массы исчисляются граммами или даже микрограммами, а некото­рые получены лишь в количестве не­скольких атомов.

Оксид урана U₃O₈, выделенный в 1789 г. немецким химиком Мартином Клапротом из урановой смоляной ру­ды (урановой смолки), долгое время считали простым веществом. Ему при­своили имя планеты, открытой за во­семь лет до этого.

Металлический уран впервые уда­лось получить в 1841 г. французскому учёному Эжену Пелиго (1811 — 1890) восстановлением тетрахлорида урана калием: UCl₄+4К=U+4КCl. Аналогич­ным образом Берцелиусом в 1828 г. был получен торий, названный в честь Тора — бога-громовержца в скандинавской мифологии.

Сейчас трудно представить нашу жизнь без электричества. Однако ещё не так давно к фонарям на ули­цах тянулись не провода или элек­трические кабели, а трубы с газом. Газовое освещение появилось в на­чале XIX в. Светильный газ получали перегонкой каменного угля или дре­весины без доступа воздуха, и подоб­ное производство являлось мощной отраслью промышленности.

Вообще-то сам по себе горящий газ даёт мало света. Резко увеличить освещённость горелки можно, поме­стив в пламя подходящее вещество, которое, разогреваясь, начинает са­мо светиться. Вначале таким усили­телем, «рабочим телом» служила платиновая проволока, но подоб­ные горелки были очень дороги.

Настоящую революцию в освети­тельном деле совершил австрийский химик Карл Ауэр (1858—1929). Кстати, основные его исследования посвящены изучению редкоземель­ных элементов. Работая в лаборато­рии немецкого химика Роберта Бунзена, Ауэр заметил: если тугоплавкие оксиды редкоземельных элементов нагреть в пламени горелки, они начи­нают ярко светиться. Учёный начал интенсивно работать над усовер­шенствованием газовой горелки.

В старых учебниках по химии можно найти любопытное упоминание о церии — металле, который обладает удивительным свойством: если про­волоку из него поскрести ножом, то образующиеся при этом мельчайшие пылинки самовоспламеняются на воздухе (такое свойство металла назы­вается пирофорностью — от греч. «пир» — «огонь» и «форос» — «не­сущий»). Если же внести в пламя саму цериевую проволоку, она вспыхи­вает ослепительным огнём, превосходя по яркости горящий магний.

Необычное свойство церия использовал австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах, разработав состав для «кремнёвых» зажигалок. В его осно­ве — сплав церия с другими редкоземельными металлами (мишметалл — от нем. mischen— «смешивать»), образующийся при восстановлении смеси их оксидов кальцием. Небольшой кусочек подобного вещества при ударе (или энергичном трении о стальное колесико) даёт множество искр, кото­рые легко поджигают фитиль. Для кремней зажигалок оптимален такой со­став: Ce — 66%, Fe — 25%, La — 8%, Mg — 0,5%, Cu — 0,5%. Зажигалки позволили сэкономить огромное количество спичек.

Аналогичный сплав на основе церия используется также в трассиру­ющих (светящихся) пулях и снарядах. Специальная насадка из пирофор­ного сплава надета на снаряд снаружи, а роль колёсика в зажигалке, высекающего искру, здесь играет воздух. При больших скоростях трение насадки о воздух заставляет снаряд искрить, в результате чего ночью лег­ко проследить его путь к цели.

Оксиды некоторых лантанидов используют как катализаторы кре­кинга нефти (см. статью «Нефть. Ме­таморфозы»), а также для окраски стёкол: добавка оксида неодима при­даёт стеклу фиолетовый оттенок, эр­бия — розовый, празеодима — зелё­ный, церия (IV) — жёлтый.

Соединения на основе сульфидов (Ln₂S₃) и оксисульфидов (Ln₂O₂S) ред­коземельных элементов служат лю­минофорами в экранах цветных те­левизоров и дисплеях компьютеров. В галогенные лампы вводят люмино­форы на основе иодидов лантанидов. Они дают люминесцентное свече­ние разных цветов.

Лантан и лантаниды — тугоплавкие металлы серебристо-белого цвета

Наиболее сильно ферромагнит­ные свойства выражены не у индиви­дуальных простых веществ, а у спла­вов лантанидов с ферромагнитными металлами. При сплавлении металлов иногда образуются химические соеди­нения — интерметаллиды. Приме­ром может служить SmCo₅. На основе этого и подобных ему соединений в наше время изготовлены наиболее мощные постоянные магниты: срав­нительно небольшой магнит, который умещается на ладони, способен удер­жать легковой автомобиль вместе с пассажирами!

Так как у лантанидов наружные электронные оболочки по­строены одинаково, их химические свойства весьма сход­ны. Казалось бы, и встречаться в природе, и цениться они должны тоже одинаково. Однако таблица цен и распростра­нённости лантанидов показывает, что это не так:

Во второй строке таблицы приведён порядковый номер эле­мента Z, в третьей — округлённая цена в долларах за 1 г металла в слитке чистотой 99,9 % (в ценах 2000 г. компа­нии «Олдрич»). В графе прометия стоит прочерк: у этого элемента нет стабильных изотопов, один из самых долгоживущих — прометий-147 (период полураспада 2,62 года) — получают искусственно и используют в миниатюрных атом­ных батарейках. В 1998 г. 1 г ¹⁴⁷Pm стоил примерно 10 млрд. долларов. Конечно, никто прометий граммами (и даже микрограммами) не покупает: его количество изме­ряют единицами активности — беккерелями и мегабеккерелями; для ¹⁴⁷Pm 1МБк соответствует 3•10^-9 г прометия.

Сплавы некоторых редкоземельных элементов с переходными металлами (например, LaNi₅) способны поглотить в 1,5 — 2 раза больше водорода, чем его содержится в таком же объёме жидкого водорода. Это объясняется тем, что, попадая в пустоты кристаллической решётки металла, молекулы водо­рода распадаются на атомы, образующие связи с атомами металлов. А при незначительном нагревании сплав, насыщенный водородом, легко его от­даёт. На основе LaNi₅ уже разработаны аккумуляторы водорода, которые могут использоваться при развитии водородной энергетики.