Карл Ауэр фон Вельсбах: редкие земли и яркий свет

Леенсон И.А.
(«ХиЖ», 2013, №10)

s20131064 progulki.jpgСейчас имя австрийского химика знакомо специалистам в области редкоземельных элементов. А когда-то он был известен по всему миру. Потом его затмила слава Эдисона, и не случайно — оба имени связаны с искусственным освещением.

Карл Ауэр родился в 1858 году в семье Алоиса Ауэра, директора Императорской придворной и государственной типографии в Вене, изобретателя и талантливого иллюстратора. За свои заслуги он в 1860 году был возведен в потомственное дворянское достоинство и получил полное имя Алоис Ауэр Риттер фон Вельсбах. По-немецки Ritter — рыцарь (на русский традиционно переводится «барон»); Welsbach — по месту рождения в городе Вельсе, на берегу притока Дуная, Bach — ручей.

В 1877 году, после окончания средней школы, Карл поступил на военную службу в австро-венгерскую армию в звании младшего лейтенанта. Но уже в следующем году он — студент Венского университета, затем переходит в Гейдельбергский университет и специализируется в химии под руководством Роберта Бунзена. После защиты в 1882 году диссертации Ауэр возвращается в Вену и работает ассистентом (без жалованья) в Венском университете, в лаборатории профессора Адольфа Либена. Он исследует разделение редкоземельных элементов — это интересовало многих химиков, в том числе и Д.И.Менделеева. Ко времени открытия Периодического закона были известны церий, лантан и иттрий, а когда Ауэр начал работать над этой темой, к ним присоединились в 1878 году — иттербий, через год эрбий, гольмий, скандий, самарий и тулий, еще через год — гадолиний. В тогдашнем варианте таблицы для них не было места, и в 1906 году Менделеев написал: «Тут мое личное мнение еще ни на чем определенном не остановилось, и тут я вижу одну из труднейших задач, представляемых периодической законностью».

В 1842 году шведский химик Карл Густав Мосандер понял, что открытый им в 1839 году лантан представляет собой смесь по крайней мере двух элементов. За одним из них он оставил название лантан, а второй назвал дидимом (от греч.didymos — близнец). В 1882 году уже Ауэр спектральным анализом обнаружил в дидиме два новых элемента. Один из них давал соли зеленого цвета, и этот элемент Ауэр назвал празеодимом, «зеленым близнецом» (от греч. prasinos — светло-зеленый). Второй назвал неодидимом, то есть новым дидимом; название вскоре сократили до неодима. В 1907 году Ауэр одновременно с Жоржем Урбэном и Чарльзом Джеймсом открыл последний лантаноид — лютеций.

Во время работы в лаборатории Бунзена Ауэру приходилось нагревать в пламени бунзеновской горелки различные вещества и наблюдать их эмиссионные спектры. Он заметил, что раскаленные оксиды некоторых металлов испускают особенно яркий свет. Вообще, способность огнеупорных оксидов ярко светиться при накаливании была известна. В 1823 году англичанин Томас Друммонд изобрел «друммондов свет»: в его горелке оксид кальция раскалялся пламенем гремучего газа — смеси кислорода и водорода. Друммондов свет был малопригоден для освещения улиц и домов, но его пытались использовать на театральной сцене.

Ауэр начал работать над усовершенствованием обычного тогда газового освещения. Он разработал конструкцию калильной сетки — колпачка (потом его назовут ауэровским) из тугоплавкого оксида, который должен нагреваться горящим газом до высокой температуры. Ауэр пропитывал ткань раствором нитрата лантана, а затем нагревал ее до выгорания органического вещества, причем нитрат переходил в тугоплавкий (2280оС) оксид. Первые калильные сетки были смесью 60% MgO, 20% La2O3 и 20% Y2O3, но они не удовлетворили Ауэра. В 1885 году он взял первый патент на способ изготовления калильных сеток из смеси оксидов лантана и циркония (плавится при 2700оС) с добавкой оксида иттрия (2430оС). Назвал изобретатель свои сетки скромно — Auerlicht (Licht по-немецки «свет»). Ткань пропитывали раствором нитратов или ацетатов металлов, обрабатывали аммиаком, сушили, резали на полоски, сплетали их в косички и сшивали в форме колпачка. Каркасом служили тонкие платиновые проволочки. Далее колпачок осторожно прокаливали, ткань выгорала, и оставалась сетка из оксидов в форме очень хрупкого колпачка: к нему нельзя было прикасаться.


s20131064 progulki2 gorelka.jpg
Ауэровская горелка


Благодаря публичным демонстрациям изобретение вызвало интерес во многих странах. В 1887 году Ауэр основал недалеко от Вены фабрику, на которой из минералов редкоземельных элементов (РЗЭ) готовили растворы для пропитки тканей. Одновременно он искал новые составы. Следующие патенты указывали введение в смесь соединений тория: его нитрат после прокаливания превращался в очень тугоплавкий (3350оС) и ярко светящийся оксид ThO2. Но минералы тория и РЗЭ встречаются редко, важнейший источник этих элементов — минерал монацит (от греч. «уединенный»). Это смешанный фосфат (Се,La,Nd)PO4, в котором присутствуют и другие лантаноиды, до 10% оксида тория и до 1% оксида урана. Монацит радиоактивен, но тогда этого не знали.

Монацит был открыт в 1826 году на Урале, промышленные его месторождения — это прибрежные россыпи вдоль берегов Индийского, Атлантического и Тихого океанов. При участии Ауэра на Атлантическом побережье Бразилии были начаты разработки месторождения монацитового песка. Его доставляли в порт Гамбурга в виде балласта торговые суда, которые везли в Бразилию товары, а назад возвращались почти порожняком. Конечно, они это делали по просьбе Ауэра, которому ценный минерал доставался почти даром, пока бразильское правительство не ввело пошлину.

К 1889 году было выпущено 50 тысяч горелок, но лучшей оказалась сетка из ThO2 с 1% СеО2, запатентованная в 1891 году.

В том же году новыми горелками был освещен оперный театр в Вене. Газеты писали: «Свет новых горелок был настолько бел, что все цвета являются такими же, как при дневном свете». Начался ажиотаж, предприятия по производству сеток появились в нескольких странах, ручную работу заменили станки, дающие до 50 тысяч сеток в день. Ауэровские горелки начали конкурировать с электрическим освещением. Была изобретена перевернутая горелка, в которой газ подавался сверху вниз; это позволило избежать неосвещаемого пространства под горелкой. К концу жизни изобретателя (Ауэр скончался в 1929 году) было изготовлено пять миллиардов ауэровских сеток.

Карлу Ауэру также принадлежит взятый в 1903 году патент «кремнёвых» зажигалок. В его основе церий в сплаве с другими РЗЭ, так называемый мишметалл, от немецкого mischen — смешивать. Небольшой кусочек такого металла при ударе (или энергичном трении о стальное колесико) дает множество искр, которые легко поджигают фитиль. В 1900 году Ауэр предложил использовать в лампах накаливания вместо угольной нити осмиевую. Однако осмий дорог, и он был вытеснен более дешевым вольфрамом, который и медленнее испаряется. Напоминание о тех временах — название немецкой светотехнической компании OSRAM, составленное из OSmium и WolfRAM. Осмий сейчас для освещения давно не используют, чего нельзя сказать об ауэровских фонарях. Туристы, побывавшие несколько лет назад во Вьетнаме, видели на сельских базарах лавки, ярко освещавшиеся в темное время суток раскаленными ауэровскими колпачками, причем горелки питались керосином. Дозиметр, поднесенный к сетке, показал слабую радиоактивность. Значит, в ней было немного тория (и, возможно, урана).


123

Разные разности

07.07.2020 18:00:00

…проект ИТЭР по созданию крупнейшего в мире термоядерного реактора прошел важную веху — на место установлено основание криостата, самая большая и тяжелая часть токамака...

…созданы структуры для фотосинтеза, более эффективного, чем природный, — капли размером с клетку, содержащие мембраны хлоропластов шпината и компоненты ферментативного цикла для синтеза органических молекул из углекислого газа…

…каждая третья женщина европейского происхождения имеет «неандертальский» вариант рецептора гормона прогестерона, связанный с повышенной рождаемостью, более редким кровотечением на ранних сроках беременности и меньшим количеством выкидышей…


>>
20.05.2020 18:30:00

Вакцины – какие, сколько и на какой стадии?

Даже когда острая фаза пандемии COVID-19 закончится и меры карантина больше не будут нужны, сам вирус никуда не денется, а продолжит жить среди нас. Самый эффективный способ от него защититься – сделать вакцину.

>>
18.05.2020 19:00:00

Коронавирусы: в семье не без урода

Найдены молекулярные отличия более патогенных коронавирусов от менее патогенных. Пока не вполне ясно, как эти отличия работают. Но возможно ученые смогут понять, почему настолько похожие инфекционные агенты приводят к таким разным последствиям для человека.

>>
13.05.2020 17:00:00

…из-за снижения транспортных потоков во время пандемии коронавируса уменьшились сейсмические шумы в коре Земли; специалисты считают, что это облегчит мониторинг слабых землетрясений, вулканической активности и других сейсмических событий...

…6 марта с мыса Канаверал стартовала миссия Space X CRS-20, которая доставит на МКС 250 пробирок со стволовыми клетками человека; на протяжении месяца они будут развиваться в кости, хрящи и другие ткани в условиях невесомости...

…по мере того как на рынок выходят художественные произведения, разработанные с помощью генеративных алгоритмов и когнитивной робототехники, встает вопрос об авторском праве на них…

>>
05.05.2020 17:00:00

Смартфон может незаметно передавать секретные сведения посторонним через неучтенную разработчиками прореху на границе между столом и смартфоном. Как же это может быть? Ответ в ходе серии экспериментов получили исследователи из Вашингтонского университета.

>>