Lutecis / iterbis: Kelionė po cheminių elementų lentelę. Vartiklis: nomenklatūra

Ar galėjo kada keltai pamanyti, kad jų gyvenvietės ant Senos kranto garbei bus pavadintas metalas, paskutinis iš lantanoidų?! O ar galėjo jo atradėjai įsivaizduoti, kaip jį galima panaudoti?! Tačiau senovės Liutecija vėliau tapo šiuolaikiniu Paryžiumi, o tyrinėtojai rado pritaikymą vienam iš neįprasčiausių cheminių elementų...

Lutecį 1907 m. nepriklausomai vienas nuo kito atrado prancūzas Žoržas Urbenas¹⁾, austras Karlas Aueris fon Velsbachas²⁾ ir amerikietis Čarlzas Džeimsas³⁾. Vis tik prioritetas atiteko prancūzui, ką ir liudija jam suteiktas senovinis Paryžiaus pavadinimas (austras siūlė vadinti kasiopėjumi - mitinės Etiopijos karalienės Kasiopėjos garbei). Tiesa, nė vienas jų neišskyrė visiškai švaraus lutecio, tačiau Č. Džeimso išskyrimas buvo gana aukštos kokybės. Grynas lutecis

Lantanidai daugiausia yra reti elementai (bent taip laikyta 19 a.), tad jiems ir prilipo pavadinimas „retieji žemės elementai“. Didžiausiu jų suradimo sunkumu vis tik buvo ne jų retumas, o tai, kad jie labai panašūs cheminėmis savybėmis – tiek, kad tai tarsi reikėtų atskirti du gamyklinį konvejerį paliekančius automobilius.

Dabar vienas lutecio junginių (ceriu dopiruotas lutecio oksiortosilikatas) naudojamas medicininėje diagnostikoje – positroninės emisijos tomografijoje (PET). Iš pavadinimo galima spėti, kad čia kažkaip įsipainioję pozitronai, tačiau šie yra antimaterijos dalelės. Jie gali susidaryti skylant kai kuriems izotopams, pvz., deguonies-15 ar fluoro-18. Jų skilimo pusperiodis yra nuo kelių minučių iki kelių valandų. Šiuos izotopus gauna el. dalelių greitintuvuose, tad ir naudoja, aišku, kol jie dar „karšti“, t.y. greta kokio nors ciklotrono.

Reikia iškart sintetinti biologiškai aktyvią medžiagą su tais izotopais, ją įvesti į paciento organizmą, o šį guldyti į tomografą. Ta medžiaga kaupiasi tam tikruose organizmo audiniuose, izotopai skyla išleisdami pozitronus, šie anihiliuojasi su elektronais, gama kvantai išsilaksto į įvairias puses – ir čia scenoje pasirodo lutecio oksiortosilikatas. Mat gama kvantų registracijai naudoja ypatingus kristalus, - ir kuo šie jautresni, tuo tikslesnis bus organo ar audinių 3D vaizdas. Ir vienu geriausių yra minėto junginio su kitų retų elementų priemaišomis kristalai.

Ir dar lutecis naudojamas uolienų ar kitų objektų geochronologijai. Mat lutecio-176 skilimo pusperiodis apie 37 mlrd. m. (t.y. beveik triskart ilgesnis nei Visatos amžius). Matuojant jo ir iš jo susidariusio hafnio (Hf) koncentracijas, galima nustatyti šio mastelio uolienų ar meteoritų amžių.

Lutecis (Lu) – sidabriškai baltos spalvos metalas, lengvai mechaniškai apdorojamas. Jo lydimosi temperatūra 1663^oC. Visiškai grynas lutecis buvo pagamintas tik 1953 m. Kambario temperatūroje pasidengia tvirta oksido plėvele. Įdomu, kad lutecio kaina tik maždaug 4 k. mažesnė už aukso: 1 kg 90% grynumo lutecio kainuoja apie 5-5,5 tūkst. USD.

Taip pat lutecio aliuminio granatas (Al₅Lu₃O₁₂) naudojamas galinguose lazeriuose – ypač skirtuose kariniams tikslams bei medicinai. Įeina ir į labai stiprių magnetų lydinius. Branduolinėje technikoje šiek tiek naudojamas neutronų sugėrimui. Luteciu dopinuoti ferogranatai (pvz., GGG) naudojami informacijos laikmenų cilindrinių magnetinių domenų (bubble memory) pagrindu gamyboje.

Iterbis (Yb, eil. nr.70) – cheminis elementas, šviesiai pilkas retasis metalas priklausantis lantanoidų šeimai (priešpaskutinis joje). Klampus ir kalus, laidininkas, nėra radioaktyvus. Jo junginiai labai toksiški. Lydimosi temperatūra – 1097^oK. Per 90% grynumo kaina – 260-420 USD už 1 kg.
Dabar iterbis kasamas Kinijoje, JAV, Brazilijoje ir Indijoje monazito, euksenito ir ksenotimo mineralų pavidalu. Jo koncentracija žema.

Stokholmo archipelage per 20 tūkst. salų ir salikių, tačiau chemikų požiūriu iš jų išsiskiria Resaro sala, kurios plotas apie 3,1 km³ su arti 3 tūkst. gyventojų. Chemikai siekia ją aplankyti, ypač atvažiuojantys į Nobelio premijos ceremoniją – juk link jos iš Stokholmo 40 min. kelio. Tai kas tokio ypatinga joje yra?! Ogi Iterbio gyvenvietė, prie kurios kadaise buvo kasamas kvarcas ir lauko špatas. Ten rastuose mineraluose buvo aptikti net 4-i nauji retieji elementai: erbis, itris, terbis ir ... iterbis. Visi jie pavadinti šio kaimelio garbei. Ir manote tai viskas?! Ten rado dar 6-is naujus cheminius elementus! Tik, matyt pritrūkus kaimo pavadinimo variantų, jie pavadinti kitų Skandinavijos vietovių pavadinimais bei vieno suomių tyrinėtojo garbei.

Kvarcas geležies apdirbimui Uplandijoje Iterbyje kastas nuo 17 a. pradžios, o lauko špatas kastas vietinio porceliano gamybai – ir kasamas nuo 1790 m. buvo pirmąja špato kasykla Švedijoje. Jų abiejų kasimas liovėsi 1933-ais. Tačiau 5-o dešimtm. pradžiai Švedijos valdžia susidomėjo galimu kasyklų panaudojimu ir 1953 m. jos buvo atgaivintos ir naudotos reaktyvinio kuro MC 77 saugykloms iki 1978 m., o tada imtos naudoti dyzelinio kuro saugojimui. Galutinai kasyklos atlaisvintos 1995-ais.

Cheminių elementų istorija prasidėjo 1787 m., kai leitenantas K.A. Arhenius, tyrinėdamas vietovę galimai fortifikacijai. rado nežinomą juodą, nepaprastai sunkų mineralą. Bet tik 1794 m. J. Gadolinas jį išanalizavo ir nustatė, kad 38% jo sudaryti iš nenustatyto elemento. Kitais metais švedų chemikas A.G. Ekerbergas patvirtino atradimą ir jį pavadino yttria, o mineralui suteiktas gadolino pavadinimas. Vėliau gadoline nustatyti 7 nauji cheminiai elementai. 2018 m. Europos chemikų draugija Iterbio kasykloms suteikė Istorinio kraštovaizdžio apdovanojimą.

Iš jų iterbį (Yb) 1878 m. atrado švedų chemikas Žanas Šarlis Marinjakas, kai analizuodamas mineralo gadolinito pavyzdžius aptiko naują komponentą – ir jį pavadino ytterbia, įtardamas, kad jis naujo cheminio elemento, jo vadinto ytterbium, junginys. 1907 m. prancūzų chemikas Ž. Urbenas iš ytterbia išskyrė du komponentus: neoytterbia (vėliau pavadinto iterbiu) ir lutecia. Tą maždaug tuo metu atliko ir Aueris fon Velsbachas, tik juos pavadino aldebaranium ir cassiopeium. Tačiau iterbio cheminės ir fizinės savybės nebuvo nustatytos iki pat 1953 m., kai beveik grynas iterbis buvo gautas naudojant jonų apsikeitimo procesus.

Grynu pavidalu tai paprastas metalas be jokių niekuo neišsiskiriančių savybių: nei atsparumu karščiui, nei kietumu. O jei atsižvelgsime į jo išgavimo sunkumus, - natūraliai kils klausimas: o ką tokio su juo galima daryti?!

Tačiau pasirodo, kad jis turi pritaikymą. Jei jį patalpinsime šalia branduolinio reaktoriaus, tai veikiamas neutronų srauto jo stabilus izotopas iterbis-168 virs nestabiliu iterbio-169 izotopu. 0 šis skleidžia gama spindulius, ta jį galima panaudoti kaip spinduliavimo šaltinį įvairiuose prietaisuose, pvz, gama defektologijoje įvairių mikroįtrūkimų metaluose aptikimui. Jo veikimo principas paprastas: metalas blokuoja spinduliavimą ir jei jame yra įtrūkimas ar tuštuma, tai ji tampa praeinama gama spinduliams, ką ir geba užfiksuoti prietaisas.

Bet pažvelkime plačiau... 2004 m. amerikiečių fizikas Frenkas Vilčekas gavo Nobelio premijąuž „asimptotinės laisvės stipriųjų sąveikų teorijoje atradimą“. O po 8 m. jisai užsiėmė klausimo apie spontaninio simetrijos pažeidimo galimybę aiškinimusi. Ir galiausiai sumąstė įdomų įsivaizduojamą objektą - temporalinį kristalą.

Bet prie ko čia iterbis?! Daugelis kristalų (ir šiaip kitų daiktų) yra simetriški erdvėje. Pvz., paprastas kubas – jį, pasukus 90^o, jis sutaps su savimi. Tačiau analogišką efektą galima pasiekti ir su kubo atspindžiu veidrodyje. Ir kuo labiau simetriškas objektas, tuo didesniu įvairių būdų (pasukimų) jį galima sutapatinti su juo pačiu. O kas būtų, jei pereitume prie simetrijos laike – t.y., kai objektas sutampa su savimi praėjus kažkiek laiko?!

Temporalinio kristalo idėją mokslo pasaulis priėmė nenoriai – netgi atsirado įrodinėjančio, kad toks objektas neįmanomas. Tačiau teorijoje vis ik liko spraga, leidžianti, esant tam tikroms sąlygom, egzistuoti tokiam objektui. Ir galiausiai 2018 m. dviem tyrinėtojų grupėms pavyko pasiekti kažką panašaus.

Vieno iš bandymų metu 10-mt iterbio atomų patalpino į gaudyklę ir apšvietė dviem lazeriais: pirmasis jų formavo atomų magnetinių momentų kitimo ritmą, o antrasis šioje sistemoje skleidė kažkiek chaoso, kad atomai galėtų atsitiktinai sąveikauti tarpusavyje. Toje sistemoje laikas tarp vienodų būsenų buvo dukart ilgesnis nei lazerinio ritmo. Be to, sistema „priešinosi“ lazerio dažnio kitimui. Kas tai – tolimesnių tyrimų reikalas.

O grįžtant prie iterbio, tai jam rastas pritaikymas ir pirotechniniuose eksperimentuose. Kariniai lėktuvai gali išleisti raketas - „klaidinančius šiluminius taikinius“, kad apsisaugotų nuo į juos iššautų priešo priešlėktuvinių raketų. o tam apgaulinė raketa turi degti karščiau ir būti pastebimesnė, nei reaktyvinio lėktuvo variklis. Šio darbo imitacijai naudoja magnio ir perfluoruotų angliavandenių (kažkuo panašių į tefloną) miltelius. Jiems degant, metalinis magnis iš teflono „atplėšia“ fluoro atomus pavirsdamas magnio fluoridu – tuo pačiu išskiriant didelį kiekį šilumos ir tuo pačiu sudeginant nufluorintą tefloną ir perteklinio magnio likučius. Ir paaiškėjo, kad iterbis irgi puikiai dega mišinyje su teflonu, o kai kuriais parametrais yra net pranašesnis už magnį.

Ir galiausiai nauja iterbio panaudojimo sritis – lazeriai. Dabar daug įvairių lazerių veikiančių skirtingu pagrindu. Ir viena kryptimi yra iterbio (t.y., jo turinčio medžiagų pagrindu) lazeriai, kurie galingesni nei jų pirmtakai – neodimo (Nd) lazeriai. Tačiau iterbio lazerio veikimui reikalingi galingi šviesos diodai, kurie naudoja dvigubas puslaidininkines heterostruktūras, pvz., galio arsenido-indžio (už jų sukūrimą Nobelio premiją 2000-ais gavo tarybinis fizikas Ž. Alfiorovas4) ).

Iterbio boratas naudojamas branduolinėje energetikoje (specialios emalės ir stiklai). Jis panaudojamas labai stabiliuose atominiuose laikrodžiuose.
Teigiamas iterbio-171 jonas panaudojamas kvantinių kompiuterių kubituose. Kvantinio susiejimo vartai (pvz., Miolnerio-Sorenseno) sukuriami jonus pasiekiant sinchronizuoto režimo lazeriais.

¹⁾ Žoržas Urbenas (Georges Urbain, 1872-1938) – prancūzų chemikas, Paryžiaus un-to rektorius (1908), Chemijos inst-to direktorius (nuo 1928 m.). Pagrindine mokslinių tyrinėjimų sritimi buvo retieji žemės metalai. Patobulinino elementų atskyrimo technologiją. 1907 m. jis įrodė, kad iterbis yra iš tikro dviejų elementų mišinys – vienam jų buvo paliktis iterbio pavadinimas, o kitas pavadintas luteciu. 1911 m. izoliavo dar vieną elementą, jį pavadinęs keltiju, tačiau sutrukdė tyrimus. Apie jį paskelbė tik 1922 m., klaidingai identifikavęs kaip „retąjį žemės elementą“ – iš tikro tai buvo hafnis (Hf). Nuo 1912 m. pradėjo užsiimti sudėtinių junginių chemija, o nuo 1925 m. – molekulių sandara, valentingumo teorija. Be chemijos, buvo kompozitoriumi ir skulptoriumi. Aueris fon Velsbachas

²⁾ Aueris fon Velsbachas (Carl Auer von Welsbach, 1858-1929) – austrų chemikas tyrinėjęs retuosius žemės elementus. 1885 m. įrodė, kad didimas yra dviejų elementų mišinys – juos pavadino praezodimu ir neodimu. Nuo 1900 m. vadovavo metalurgijos gamyklai Traibache, kur įrengė didelę chemijos laboratoriją. Turėjo gabumų ne tik moksliniams pasiekimams, bet ir jų komerciniam pritaikymui. Pvz., jis sukūrė ferocerijaus „titnagus“, naudojamus šiuolaikiniuose žiebtuvėliuose. 1885 m. užpatentavo tinklelį, padidinantį dujinių žibintų šviesumą. 1900 m. jis pasiūlė elektros lemputėse vietoj anglies siūlo naudoti osmį – tik dėl osmio brangumo tai neišplito. 1907 m. išskyrė lutecį, sukeldamas ilgai trukusį ginčą dėl jo atradimo prioriteto (vokiečių kalba net iki 6-o deųitm. Buvo sutinkamas Vesbacho pasiūlytas pavadinimas kasiopėjus).

³⁾ Čarlzas Džeimsas (Charles James, 1880-1928) – britų kilmės amerikiečių chemikas. Sukūrė jo vardu vadinamą retųjų žemės elementų išskyrimo ir identifikavimo metodą, naudojant dalinį nusodinimą ir kristalizaciją, pateikdamas išskirtus elementus tyrinėtojams visame pasaulyje. Buvo vienu lutecio atradėjų (dar 1906 m. sukaupęs žymų jo kiekį), tačiau neskelbė atradimo ir negavo prioriteto. Vis tik 1999-ais Amerikos chemikų draugija pripažino jo nuopelnus cheminio atskyrimo srityje. Jis nustatė, kad tulis (Tm), laikytas trijų element mišiniu, iš tikro yra vienuu element ir 1911 m. pirmasis išskyrė beveik gryną tulį.

⁴⁾ Žoresas Alfiorovas (1930-2019) – žydų baltarusių tarybinis fizikas, akademikas (nuo 1979 m.), politikas, Nobelio premijos laureatas (2000; už puslaidininkinių heterostruktūrų ir greitų optinių ir mikroelektronikos komponentų sukūrimą). Buvo Jofės inst-to direktoriumi (1987-2003). Buvo žurnalo „Fizika ir puslaidininkinė technika“ vyr. redaktoriumi. Prisidėjo vystant heterostruktūrinę fiziką ir elektroniką. 1995 m. ir 1999 m. buvo išrinktas į Rusijos dūmą. Buvo ateistu ir pasisakė prieš religinį mokymą mokyklose. 50-ies išradimų autorius. Parašė 3 monografijas.