"Редкие земли" д. Иттербю

В составе Стокгольмского архипелага можно насчитать около 24 тысяч островов, но лишь один из них сыграл значительную роль в истории химии, геологии и минералогии. Речь идет об острове Ресарё, а точнее о деревне Иттербю, подарившей свое имя сразу четырем химическим элементам: иттрию (Y, 39), тербию (Tb, 65), эрбию (Er, 68) и иттербию (Yb, 70).

Совсем недавно, в конце апреля 2017 года, в рамках встречи рабочей группы проекта FODD «База данных месторождений Фенноскандии» (Fennoscandian Ore Deposit Database) в Иттербю была проведена геологическая экскурсия. Гид, Эрик Йонссон, научный сотрудник Геологической Службы Швеции, предоставил многогранную информацию по геологическому, историческому развитию данной территории, рассказал о важных этапах открытия редкоземельных элементов, связанных с поселением.

Гранитные пегматиты, разработка которых велась вблизи Иттербю, относятся к так называемому семейству NYF-пегматитов (обогащённых ниобием(Nb), иттрием(Y) и фтором(F)). Это типичное место локализации трех минералов: гадолинита-(Y), иттротанталита-(Y) и тенгерита-(Y).

По свидетельствам, уже в 1756г. здесь находился карьер, в котором шла добыча кварца, поставлявшегося на север провинции Уппланд для нужд металлургии, а с конца 18 века была начата еще и добыча полевого шпата для обеспечения потребности в этом сырье знаменитых шведских фарфоровых фабрик Рёрстранд (Rörstrands Porslinsfabrik) и Густавсберг (Gustavsberg). В период с 1865 г. и вплоть до закрытия месторождения в 1933 г. было добыто 45 тыс.т. кварца и 50 тыс.т. полевого шпата, при этом глубина разработки достигла 170 метров.

В период Второй мировой войны подземной части месторождения и пристани к северу от него выпал шанс сыграть иную роль – в качестве хранилища топлива, сначала для военно-воздушных, а затем для военно-морских сил Швеции.

Но совсем не упомянутые выше факты и события принесли мировую известность этой местности. Научная история Иттербю началась в 1787г., когда молодой лейтенант Шведской армии, заядлый минералог-любитель, Карл Аксель Аррениус нашел здесь необычайно тяжелый черный минерал. К счастью, он осознал важность своей находки, сделал описание, дав при этом ранее неизвестному минералу название - «иттербит». Неплохие контакты в академической среде позволили Аррениусу разослать образцы для анализа нескольким выдающимся химикам того времени.

Наибольших успехов в этой работе достиг финский профессор Юхан Гадолин(на тот момент профессор Королевской Академии Або/Турку). Ему удалось установить, что «иттербит» на 38% состоит из неизвестной ранее «земли» (термин «оксид» в то время еще не использовался). Впоследствии данные были подтверждены, «земля» получила название иттриевой, а минерал из Иттербю в знак уважения к заслугам Юхана Гадолина был переименован в гадолинит.

Следующими, выделенными из черного гадолинита элементами стали тербий и эрбий. Первооткрывателем здесь стал шведский ученый Карл Густав Мосандер. В 1843г. он опубликовал результаты своего исследования иттриевой земли.

Мосандеру удалось выделить различавшиеся по цвету осадки оксидов новых элементов, которые были названы, как и исходная иттриевая земля в честь места, где впервые был обнаружен гадолинит, - деревни Иттербю. Бесцветный окись получила название – иттрия, желтая – тербия, а розовая – эрбия.

Последний элемент, иттербий, был открыт гораздо позже. Сделать это открытие удалось швейцарскому химику Жану Мариньяку в 1878г. Он преуспел в разделении эрбиевой земли, получив таким образом оксиды двух элементов. Новый элемент получил название иттербий.

Сферы применения открытых, благодаря гадолиниту из Иттербю, химических элементов весьма примечательны.
Иттрий – металл, обладающий рядом уникальных свойств, что предопределяет его широкое использование в промышленности в качестве огнеупора, легирующей добавки ко многим сплавам, конструкционного материала для ядерных реакторов. Иттриевые гранаты применяют в радиоэлектронике, как лазерные материалы.

Оксид иттрия-бария-меди YBa₂Cu₃O_7-x превращается в высотемпературный сверхпроводник при охлаждении жидким азотом. Например, если вы захотите положить магнит на охлажденный диск из YBa₂Cu₃O_7-x, вам это не удастся: магнит повиснет в воздухе на расстоянии чуть меньше сантиметра от поверхности диска и будет «левитировать».(1)

Эрбий играет важнейшую роль в современных коммуникациях, потому что позволяет усилить оптический сигнал в оптоволоконном кабеле без его превращения в электрический сигнал. По сравнению с другими типами оптических усилителей, допированный эрбием оптический усилитель (EDFA) используется наиболее широко.(2) Еще одним из важнейших направлений использования эрбия является его применение в виде оксида в атомной технике.

Тербий имеет весьма ограниченное применение, используется при производстве люминофоров, лазерных материалов и ферритов. Этот элемент (и в еще большей степени его сплав терфенол) обладает необычным свойством: изменяет свою форму в магнитном поле. Сделанный из них стержень мгновенно удлиняется или укорачивается в зависимости от силы и направления магнитного поля. Эффект не очень велик, тем не менее его можно использовать. Например, можно превратить любую твердую поверхность в громкоговоритель. Для этого надо запрессовать один конец терфенольного стержня в деревянную столешницу, а ко второму по средствам катушки приложить магнитное поле, напряженность которого меняется в соответствии со звуковым сигналом. Изменение длины стержня будет вызывать колебания столешницы, превращая ее в огромный диффузор. В обычных громкоговорителях диффузор перемещается на относительно большое расстояние под действием очень слабой силы. Для того же, чтобы сдвинуть столешницу, требуется усилие, которое не могут развить магнит и катушка обычного громкоговорителя. Применение терфенольного стержня - один из немногих способов решения проблемы.(3) Иттербий же используется главным образом в лазерах.

В 1989 году месторождение Иттербю получило официальный статус территории исторического наследия. На входе в оставшейся от рудника участок можно увидеть памятный знак, установленный в честь этого события.

Имея статус наследия, территория, охраняется в соответствии с законами Королевства Швеции, поэтому собирать образцы на территории рудника, к сожалению, запрещено. Ко входу в рудник ведет предусмотрительно установленная деревянная лестница. Сверху открывается вид на Стокгольмский архипелаг.

Если Вы захватите с собой счетчик Гейгера, то сможете засечь радиоактивное излучение на оставшихся выходах породы. Это возможно благодаря содержанию небольшого количества двух элементов, а именно тория и урана.

Помимо четырех элементов, названных в честь Иттербю, обнаружение гадолинита привело к открытию еще ряда элементов, названия четырех из которых так или иначе связаны со Швецией. Это гадолиний (назван в честь Ю.Гадолина), гольмий (от латин. Стокгольм), скандий (Скандинавия) и тулий (старое латин. обозначение северных и Скандинавских стран(Ultima Thule)).

Все они входят в группу редкоземельных элементов, хотя не являются такими уж и редкими. Скорее, термин «редкие земли» можно связать с трудностью их разделения.

Теперь, смотря на историю случайно найденного в 1787г. минерала из Иттербю с высоты нашего века, можно проследить за перипетиями развития науки. Находка Аррениуса дала толчок новым открытиям, подвигнув многих ученых на проведение исследований, совершавшихся на протяжении как минимум двух последующих столетий. А в наше время Иттербю, как уникальный объект горно-геологического наследия, привлекает сюда любителей истории, химии, геологии и просто любознательных туристов.

Автор: Елена Щипцова