1. Введение

К числу редкоземельных элементов (РЗЭ) относятся скандий Sс, иттрийY, лантанLа и 14 следующих за ним элементов, называемыхлантанидами(от Се доLu) илилантаноидами, однако последнее название неточно, поскольку суффикс «оид» по-гречески озна­чает «подобный», то есть лантаноид – это «подобный лантану». Лантанид же (суффикс «ид» – по-гречески «следующий за...») означает – «следующий за лантаном». Несмотря на сходство между лантаном и лантанидами, подобными их назвать нельзя. Например, следующий за лантаном элемент церий образует устойчивые соединения в степенях окисления +3 и +4, тогда как лантан в соединениях проявляет только степень окисле­ния +3. Существенна также разница в свойствах РЗЭ, стоящих в начале и конце ряда лантанидов.

Используя термин «лантаниды», следует пом­нить, что лантан не принадлежит к числу этих элементов, а является их предшественником.

Название «редкоземельные элементы» также требует разъяснения. Прежде чем РЗЭ получили в металлическом состоянии, были выделены их оксиды – порошкообразные тугоплавкие вещества, плохо растворимые в воде. В XVIII−ХIХ вв. вещества с такими свойствами называли «землями» (глинозем А1₂О₃, горькозем МgО и т. д.). Поскольку земли – оксиды РЗЭ – встре­чались в минералах довольно редко, их назвали «редкие земли». Следовательно, редкие земли – оксиды РЗЭ, а не сами элементы или простые вещества-металлы. Поэтому простые вещества, проявляющие металлические свойства, следует назы­вать редкоземельными металлами (РЗМ), а не редкими землями или редкоземель­ными элементами. Сейчас установлено, что РЗЭ не так уж редки. Та­ким образом, название «редкоземельный» в известной степени устарело, но им продолжают пользоваться.

РЗЭ разделяют на 2 подгруппы – цериевую и иттриевую. К пер­вой относят Lа и легкие лантаниды от Се до Еu включительно, к иттриевой подгруппе – сам иттрий, а также его легкий аналог скандий и все тяжелые лантаниды от Gd до Lu включительно. Ос­нованием для такой классификации является различное поведе­ние членов этих подгрупп при разделении смесей РЗЭ: элементы с относительно большим ионным радиусом, вклю­чая церий, образуют при фракционировании легкую фракцию – цериевая подгруппа, элементы с меньшим размером ионного ра­диуса – тяжелую – иттриевая подгруппа. Такое подразделение относительно, поскольку в технологической практике элементом, делящим РЗЭ на подгруппы, не всегда является гадолиний.

Говоря о положении РЗЭ в периодической системе (ПС), необходимо отметить опреде­ляющую роль Д.И.Менделеева в решении этой труднейшей задачи. Он не только сфор­мировал 3-ю группу ПС, предсказав скандий и экспериментально доказав трехвалентность иттрия и лантана, которые до того счи­тались двухвалентными, но и подготовил экспериментальную ба­зу для решения проблемы РЗЭ в целом.

В процессе открытия РЗЭ, который растянулся на весь XIX в., были периоды, когда число РЗЭ не только сводилось к минимуму, но и разрасталось чуть ли не до бесконечности (теория метаэлементов Крукса). Окончательно вопрос о числе РЗЭ был решен в 1922 г., когда на основе закона Мозли было установлено, что между лантаном и гафнием могут находиться только 14 элементов (лантанидов). Однако и до этого момента делались попытки разместить РЗЭ в ПС, хотя эти элементы нарушали стройную структуру ПС.

Основополагающие принципы размещения РЗЭ в ПС были сформулированы Д.И.Менделеевым. Современники Менделеева, занимавшиеся исследованиями в области РЗЭ, высоко оценивали его роль в решении этой сложной проблемы. Так, Юрбэн считал Менделеева одним из создателей теории РЗЭ. Будучи синтетиком и много занимаясь разделением смесей РЗЭ, Юрбен особенно высоко ценил предложенный Менделеевым метод фракционной кристаллизации двой­ных нитратов (см. разд. 3.8.1), который затем успешно применил Ауэр фон Вельсбах для отделения лантана от дидима и выделения из последнего новых элементов – неодима и празеодима.

Особенно важна оценка работ Менделеева в области РЗЭ, данная Б. Браунером, который подчеркивал роль Менделеева в установлении истинной валентно­сти, правильного атомного веса церия и других РЗЭ. Так же, как и Юрбен, Браунер считал очень важным для развития РЗЭ предложенный Менделеевым новый ме­тод разделения смесей РЗЭ.

Как по своему положению в ПС, так и по проявляемым свойствам ванадий далек от скандия и лантанидов, однако все они относятся к рассеянным элементам, находящим применение в создании новых материалов. Подобно РЗЭ ванадий используется в оболочке ядерных реакторов и как лигирующая добавка при получении сплавов с ценными свойствами. Его соединения используют в качестве катализаторов различных процессов, при производстве люминофоров и квантовых генераторов. Подобно оксидам лантанидов оксиды ванадия являются перспективными материалами для изготовления оптического волокна.

Существующая потребность в новых (оптико-волоконных, композиционных, термо- и радиационноустойчивых, каталитически активных) материалах и сплавах, которые могут быть получены при помощи РЗЭ, ванадия и их соединений, обусловливает необходимость внимательного изучения химических свойств представленных элементов.