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.

В 1794 г. Юхан Гадолин (1760—1852) (в честь него назван элемент гадоли­ний) из университета города Або в Финляндии выделил из редкого мине­рала (теперь он именуется гадолинитом), найденного в местечке Иттербю близ Стокгольма, новую землю, кото­рую назвал иттриевой. В 1803 г. из дру­гого минерала Якоб Берцелиус и Виль­гельм Хизингер, а также Мартин Клапрот (независимо от первых двух) получили цериевую землю, назван­ную по имени малой планеты Цереры, открытой незадолго до этого.

Потребовалось ещё несколько де­сятилетий, чтобы доказать, что эти земли неоднородны, т. е. не являют­ся индивидуальными соединениями. Так, в 1839—1841 гг. шведский химик Карл Густав Мосандер (1797—1858) выделил из цериевой земли две но­вые — лантановую (от греч. «лантано» — «скрываюсь») и дидимовую (от греч. «дидимаон» — «близнецы»).

Лантаниды относят к редким эле­ментам: их содержание в земной коре не превышает по массе 0,01%. Однако 0,01% — не так уж мало. Например, атомов церия — наиболее распространённого из лантанидов — в природе содержится в пять раз больше, чем атомов свинца, а ту­лия — самого редкого из членов это­го семейства — больше, чем иода. Единственное исключение — про­метий, у которого нет стабильных изотопов, и потому он в природе практически не встречается.

В литературе нередко использует­ся также термин редкоземельные эле­менты. Под ним понимают группу из 17 элементов, включающую трёх представителей побочной подгруппы третьей группы — скандий Sc, иттрий Y, лантан La и 14 лантанидов (общий символ — Ln). Термин этот историче­ский. Раньше землями называли туго­плавкие оксиды многих элементов (магния, кальция, бария, алюминия и др.). Название «редкие земли» закре­пилось первоначально за оксидами иттрия и церия, а затем было распро­странено и на другие близкие по свойствам элементы.

Один из важнейших минера­лов лантанидов — монацит (Y, La, Ln)PO₄ — содержит сразу все или почти все лантаниды, но в разном со­отношении, а также иттрий и лантан. Название минерала происходит от греческого «моназо» — «уединяюсь», «обособляюсь», ведь монацит встреча­ется обычно в виде отдельных зёрен. Из-за присутствия тория, а также сле­дов других радиоактивных элементов монацитовая руда (монацитовый пе­сок) радиоактивна.

Близкие значения ионных радиу­сов и очень похожие химические свойства делают лантаниды настоль­ко сходными, что долгое время их не удавалось разделить.

При взгляде на таблицу Менделеева невольно возникает вопрос: почему некоторые элементы помещены не в самой таблице, а как бы вынесены за её пределы? Что это — знак особой чести, уважения или, наоборот, сви­детельство пренебрежительного от­ношения к ним: мол, хватит вам од­ной клетки в самой периодической системе? К тому же и называют их в разных таблицах по-разному: то лан­таноидами и актиноидами, то лантанидами и актинидами...

Есть у них ещё одно общее назва­ние: и лантаниды, и актиниды — это f-элементы, поскольку в их атомах достраивается внутренняя электронная f-оболочка. Всего на ней может разме­ститься не более 14 электронов; ровно столько же и наших героев — лантанидов (иначе 4f-элементов) и акти­нидов (5f-элементов).

Лантаниды расположены в перио­дической системе после лантана, актиниды — после актиния. Их отсут­ствие (в явном виде) в III группе таблицы отмечено звёздочками у сим­волов La и Ас.

Окрашенные соли лантанидов.

Ртутное месторождение Монте-Амьята в Италии разрабатывается со вре­мён Древнего Рима. Причина столь ранней известности ртути в том, что добываемая там киноварь (сульфид ртути HgS) легко разлагается при на­гревании на воздухе с образованием паров металлической ртути:

В древности обжиг киновари про­водили в закрытом глиняном сосуде, на крышке которого конденсирова­лась ртуть. Сейчас для этих целей ис­пользуют трубчатые печи.

Ртуть (t_кип=357 °С) — самая тяжё­лая из всех известных жидкостей: