Просмотр содержимого документа
«Статья по теме Табиғатта сирек кездесетін элементтер»
Табиғатта сирек кездесетін элементтер.
Д.И. Менделеев «Химия негіздері» еңбегінің кіріспесінде элементтер мен жәй заттарды «химиялық білімнің негізі» деп қарастыра отырып, олардың табиғаттағы әр түрлі таралуын көрсеткен және ең кең тараған деп келесі 14 элементті атаған: сутек, көміртек, азот, оттек, натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, күкірт, хлор, калий, кальций және темір. Д.И.Менделеевтің пікірі бойынша, табиғатта аз тараған, бірақ тіршілікте және техникада көп қолданылатын 23 элемент бар. Олар: литий, бор, фтор, хром, марганец, кобальт, никель, кадмий, қалайы, сүрме, йод, барий, платина, алтын,сынап, қорғасын және висмут.
«Сирек, бірақ жақсы танымалдарға» 14 элемент жатады: берилий, титан, ванадий, селен, цирконий, молибден, палладий, цезий, вольфрам, осмий, иридий, талий, торий, және уран. Бұл элементтерді Д.И.Менделеев «аз қолданылатын» деп сипаттайды. Сонымен қатар, «өте аз кездесетін, әрі іс жүзінде қолданылмайтындарға» келесі 18 элемент жатқызады: скандий, галий, германий, рубидий, иттерий, ниобий, рутений, родий, индий, теллур, цезий, лантан, неодим, празеодим, самарий, иттербий, эрбий,тантал.
1 кестеде В.И. Вернадский ұсынған элементтердің «таралу декадасындағы» орналасуы келтірілген.
Осы кесте мәліметтері бойынша олардың таралуының әр түрлі екенін байқауға болады: бірінші екі декадағы барлығы 9 элемент кіреді, олардың үлесіне жер қыртысы салмағының 98,1%-ы жатады; үшінші декаданың 6 элементіне 1,5% жатады; ал қалған элементтердің барлығына 0,4%. Сонымен қатар, жер қыртысындағы кейбір элементтердің мөлшері милиард есе айырылуы мүмкін. Элементтердің кларктарын қарастырғанда, олардың мәндерін тұрақты деп санауға болмайды. Ол мәндер жылдан-жылға минералогиялық, химиялық және физика-химиялық анализдің дамуына байланысты, пайдалы кен қазбаларының жаңа орындары ашылған сайын, элементтер қасиеттері туралы білім тереңдеген сайын өзгере береді.
1 кесте
В.И. Вернадский ұсынған элементтердің «Таралу декадасы»
Ең алдымен, бұл аз таралған элементтерге қатысты, себебі жер қыртысының барлық элементтерінің 99,6% құрайтын оттек, кремний алюминий т.б. бірінші декаданың элементтеріне мұндай өзгерістер айтарлықтай әсер етпейді.
1 кестеде алдыңғы декадалар элементтерінің Менделеевтің топтастыруы қазіргі топтастықпен толық сәйкестігін байқауға болады. Бірақ Д.И. Менделеев жер қыртысындағы элементтердің аз немесе көп таралуын тек атап қана кетпей, «сутек, натрий, магний және темірдің бізден алыс ғарыштағы жұлдыздар да бар екені, жерде жай дене түрінде пайда болғаны заттардың бүкіл ғарышқа тарайтындығын дәлелдейді, - дейді ол, - ал неліктен табиғаттағы жай заттардың салмағы басқалардан жоғары екенін біз әлі білмейміз».
Менделеев кестесіндегі үлкен периодтардың элементтерінде – ІV периодта скандийден германийге дейін, V периодта иттрийден қалайыға дейін және VІ периодта лантаннан қорғасынға дейін – элементтердің жер қыртысындағы таралуының олардың периодтық жүйеде орналасуына тәуелділігі анық байқалды. 2 суретте элементтің кларк мәнінің оның периодтық жүйеде орналасуына (элементтің реттік нөмірі) тәуелділігі график түрінде келтірілген.
Бұл жайды осы жерде қарастырмай-ақ (олар В.В.Чердынцевтің арнайы кітабында қарастырылған) элементтердің жер қыртысында таралу мөлшері жалпы күн жүйесіне де сәйкес деп санауға болмайтынын атап кетеміз: себебі кейбір элементтер жер қыртысында өте аз (мысалы гелий (10-6)), ал күнде кеңінен тараған.
Элементтердің жер қыртысында таралуы тек ядро құрылысымен ғана емес, жалпы атом құрылысымен де байланысты: қосылыстар түзілу (миниралдар) элементтер арасындағы байланыс электрондық бұлттардың құрылысына және оған тәуелді факторларға тәуелді.
А.Е. Ферсман 1932 жылы элементтің сиректігі туралы түсінікті ұсынып, кейін оны дамытты және оның атомының құрылысымен негізделетін қасиет екенін көрсетті. Ол «Атом қасиеттері және оның құрылымы тек қана элементтердің ғана емес, сонымен қатар миниралдардың да байланысу және таралу заңдылықтары анықтайды. Міне, геохимияның бүгінгі жағдайы осындай ...», - деп тұжырымдайды.
Геохимия бойынша элементтің «сиректігін» ферсман келесі үш себеппен түсіндіреді:
1) Элементтің атом құрылысымен байланысты сиректігі және соның нәтижесіндегі тұрақсыздығы; 2) Элементтің жердің терең аймақтарында жинақталуының арқасында оның беткі қыртысында аз болуы; 3) Элементтің жинақталуына кедергі келтіретін химиялық қасиеттердің ерекшеліктері.
Осыған байланысты Ферсман сирек элементтерді үш топқа бөлді:
І. Жалпы сирек: а) Li, Be, B- ғарыштың тапшы элементтері б) Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ti, Bi, Th, U - ядросының заряды жоғары элементтер в) Po, Ra, Ac, Th, Pa, U - радиоактивтік ыдырау элементтері ІІ. Жер қыртысындағы сирек кездесетін, себебі жердің біз зерттей алмайтын қабатында жинақталады (яғни, атом және гидросфераны қосқанда 16 км қабаттан төмен жинақталатын элементтер): а) Ge, W, Mo, Ni, Co - сидерофилдер деп аталған; б) Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt және Au – платиналық металдар; в) Se, Te, As, Sb, Bi – шамалап. ІІІ. Химиялық қасиеттері ерекше болғандықтан сирек элементтер: а) He, Ne, As, Kr, Xe – асыл және инертті газдар; б) Li, Be, B, F, Sc, V, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, I, Cs, сирек жер элементтер, Re, Ta, Hg, Tl - реттік нөмірі тақ типтік сирек элементтер
Кестеде кларк мәндерінің әр түрлі екені байқалды: кейбір элементтер үшін өзгермеген, ал кейбіреулері үшін Ферсманның мәліметтері Кларктікімен салысьырғанда төменірек, оны салмақтық пайызды туралап табумен түсіндіруге болады, ал кейбір элементтер үшін мәндердің өте жоғарлауы байқалады. Оны жаңа кен орындарының ашылуымен, анализ есептерінің жоғарлауымен түсіндіруге болады. Әсіресе қатты ауытқулар мың және оң мың есе – талий, индий, галий, ванадий, цезий үшін. Кларк жұмысынан кейін мезгілде жиырылған осы элементтер туралы мәліметтер оларды «аса сирек» тобынан азды-көпті тараған элементтер қатарына қосуға мүмкіндік берді.
2 кестеде Кларк және Вашингтон 1924 жылы, А.Е. Ферсман 1933 - 1939 жылдары, А.П. Виноградов 1950 жылы ұсынған сирек элементтердің кларктары келтірілген.
2 кесте
Сирек элементтер кларктары
Реттік нөмірі
Элемент
Мәліметтер
Кларк пен Вашингтон бойынша
Ферсман бойынша
Виноградов бойынша
3
Литий
4·10-3
5·10-3
6,5·10-3
4
Бериллий
1·10-3
4·10-4
6·10-4
5
Бор
1·10-3
5·10-3
3·10-4
21
Скандий
n·10-5
6·10-4
6·10-4
23
Ванадий
1,6·10-2
2·10-2
1,5·10-2
31
Галий
n·10-9
1·10-4
1,5·10-3
32
Германий
n·10-9
4·10-4
7·10-4
37
Рубидий
n·10-3
8·10-3
3·10-3
38
Стронций
1,7·10-2
3,5·10-2
4·10-2
40
Цирконий
2,3·10-2
2,5·10-2
2·10-2
41
Ниобий
3,2·10-5
1·10-3
42
Молибден
n·10-4
1·10-3
3·10-4
49
Индий
n·10-9
1·10-5
1·10-5
55
Цезий
n·10-7
1·10-3
7·10-4
58
Церий
2,9·10-3
4,5·10-3
72
Гафний
3·10-3
4·10-4
3,2·10-4
73
Тантал
2,4·10-5
2·10-4
74
Вольфрам
5·10-3
7·10-3
1·10-4
75
Рений
1·10-7
1·10-7
81
Талиий
n·10-3
1·10-5
3·10-4
90
Торий
2·10-3
1·10-3
8·10-4
92
Уран
8·10-3
4·10-4
3·10-4
Мұндағы: n – нақты мәні белгісіз
Ал А.П. Виноградов ұсынған кларктар Кларк және Вашингтон, А.Е. Ферсман мәліметтерінен қатты айырылады, себебі, ол тек элементтердің литосферадағы мөлшерін есептеген, ал Кларк пен Ферсман жер қыртысын толық, яғни лито-, атмо- және гидросфераны есептеген.
Осыған дейін біз тек сирек элементтер туралы айттық, ал «сирек метелл» деген түсінікті қозғамадық. «Элемент» және «металл» түсініктері арасында үлкен айырмашылық бар екенін естен шығармау керек. Біз элементтерді және олардың табиғаттағы салыстырмалы және абсолюттік сиректігін қарастырғанда практикалық қолданылыуын адам қажеттілігі тұрғысынан қарастыратын болсақ, біз оны жай зат ретінде – оның химиялық және физикалық қасиеттеріне байланысты металл немесе бейметалл – адам тіршілігінде бос күйінде немесе әр түрлі қосылыстар түрінде қолданылатындығын қарастырамыз.
Жай заттың және оның қосылыстарының қолдану дәрежесі сол дәуірдегі қоғамның өндіріс күштерінің даму деңгейіне тәуелді. В.И. Вернадский және А.Е. Ферсман әр түрлі тарихи дәуірлерді салыстырып, адамға белгілі болғанын көрсеткен (3 кесте).
Айтылғанның бәрі «сирек» металдарға толығымен тиісті. «Сирек металл» терминін химиялық элементтің сипаттамасы ретінде қарастыру керек. Сирек металл деген түсінік – тарихи түсінік. Мысалы, алтын ежелгі заманнан белгілі, бірақ оны ешкім сирек деп атамайды, ал празеодим алтынға қарағанда 20 есе көбірек тараған, оны сиректерге жатқызады.
3 кесте. Адамзатқа әр тарихи дәуірлерде белгілі элементтер
Дәуір
Элементтер
Элементтердің барлығы
Ежелгі ғасырлар
N, Al, Fe, Au, K, Ca, O, Si, Cu, Na, Sn, C, Hg, Pb, Ag, S, Cl, Zn, Sb
48+ сирек жер элементтер тобының кейбір элементтері
ХХғ. 1915 жылғы
Солар + Ne, Li, He, Ti, Ac, Ru, Rh
55+ сирек элементтер тобы
1932 жылғы
Солар + Be, Ar, Ga, Se, Rb, In, Y, Nd, Te, Hf, Tl, Cs
68+ сирек жер элементтер тобының 14 элементі
ХІХ ғасырдың соңында таралу жағынан үшінші элемент алюминий пайда болды. Ол жаңа әрі қымбат, сондықтан да сирек металдарға жататын, себебі оны өндірістік көлемде таза күйінде алуын білмейтін. 1889 жылы Д.И. Менделеев Лондондық химиялық қоғамынан сыйлық ретінде «алюминий мен алтыннан аса бағалы ваза және кубок» алған болатын.
Қазіргі заманда алюминий тағдыры титан сүріп жатыр, ол сирек металдарға жататын, ал қазір табиғаттағы таралуынан да, алу және қолдану көлемінен де ол сиректерге жатпайды. Сондықтан да «сирек металл» деген түсінікті тарихи дамуын ескермей қолдану және қоғамдағы қолдану дәрежесін есте ұстамай пайдалану дұрыс емес.
Сондықтан біз геохимия мектебінің көзқарасын ұстана отырып элементтің сиректігін, оның атом құрылысына тәуелді өасиет деп түсінеміз және де сирек элемент деп табиғатта аз тараған, кларк мәні төмен (шамамен 0,001% төмен) элементті айтамыз.
Сирек металдар деп өндіру күштерінің даму дәрежесі өте жоғары болғанда өндірілетін, қазіргі кезде әлі өндірілмейтін және өте аз мөлшерде қолданылатын металдарды атайды. Сонымен, «сирек металдар» түсінігіне тарихи мағына кіреді, ол оның технологиясының даму жолын ескереді және ақзіргі техникадағы маңызын білдіреді.
Скандий, иттрий және сирек жер тобының элементтері (лантанидтер немесе лантаноидтар) соңғы кезге дейін техникада және өндірісте қолданылмайтын (церийден басқалары). Қазір олар тек ғылым жағынан ғана қызықтырады. Оын қарастыруға бөлек бір тарау арналады.
Металл терминін қатал химиялық тұрғыдан қарастырса селен және теллур металдарға жатпайды, бірақ олардың техникадағы маңызы өрлеп өсті, сондықтан олар да қарастырылатын элементтер қатарына қосылды.
Сонымен кітапта келесі сирек металдар қарастырылған: литий, рубидий, цезий, берилий, скандий, иттрий, лантан және сирек жер тобының басқа элементтері, торий, уран, галий, индий, таллий, германий, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам және рений – барлығы 44 металл және селен мен теллур.
Кейбір – ванадий, ниобий, молибден, вольфрам, уран, рений сияқты сирек элементтердің ауыспалы валенттігі олардың реакциялық қабілетінің жоғарлылығын түсіндіреді, себебі олар көп алуан түрлі химиялық қосылыстар түзеді.
Бұл элементтер қанық боялған қосылыстар береді, өздері екпінді тотықтырғыштар және тотықсыздандырғыштар. Олардың электродтық қабат құрылымының ерекшеліктерінен қосылыстарының каталитикалық активтілігі де байланысты болуы мүмкін. керісінше, валенттігі тұрақты элементтер үшін химиялық қосылыстардың түрі де саны да аз және олар түсті қосылыстарды сирек береді. Сирек металдардан тек бірнешеуі ғана соларға жатады. Олар: литий, рубидий, берилий шамамен галий, индий, таллий. Осыған байланысты сирек металдардың көпшілігіне ерекше қасиеттер тән, соның арқасында олар ғылым мен техникаға бағалы да қызық болып табылады.
Сирек металдарды жүйелеу – элементтердің химиялық қасиеттеріне, кендерден сирек металдарды технологиялық алу түрінде, олардың минерологиялық қасиеттері де, технологиясы да, миниралдарының сипттамалары да оның периодтық жүйеде орналасуымен тығыз байланысты болғандықтан, оларды сол периодты жүйе топтары бойынша жүйелеу дұрысыраұ болып табылады. Қазіргі техникада кейбір сирек металдардың маңызын білдіру үшін сирек металдарды қарастыруды біріні емес периодтық жүйенің жетінші және алтыншы тобынан бастаймыз. Вольфрам, молибден, ванадий қазіргі өндірілетін арнайы болатттар үшін ең қажетті металдар болып табылады.
Уран қасиеттерінің ерекшелігін білдіру үшін ол бөлек арнайы тарауда қарастырылған. Сонымен қатар, сирек металдарды топтарға жүйелегенде уран мен торий ІІІ топ элементтері (актинидтер) ретінде (қазіргі көзқарас) қарастылырған. Төменде, VІ,VІІ тарауларда осы қабылданған жағдайдың негіздемесі берілген. Периодтық жүйенің VІ тобының элементтері – селен мен теллур – химиялық тұрғыдан метал деген түсінікке жатпайтын болғандықтан осы кітаптың соңындағы бөлек тарауда қарастырылған.
Сирек элементтер технологиясының ерекшеліктері
Сирек элементтер технологиясына оны қара және түсті металдар технологиясынан айыратын бірқатар қасиеттер тән. Сирек элементтер металлургиясында ірі пештерде кендерден металдарды балқытып алу деген жоқ. Сирек элементтерді, нақтылап айтқанда металдарды кейде өте қиын ыдырайтын кен концентраттарынан алу үшін ең алғашқы қыздыру, пісіру немесе шикі затты қышқылды ыдыратудан кейін, әр металдаңы өзіне сәйкес химика-аналитикалық тәсілдерін қолдану қажеттігі туады. Көп жағдайларда бұл процесс таза металдарды алуға дейін жеткізілмейді, мысалы сирек металдарды болатқа қосу үшін олардың темірмен қоспасын қолданады, ал сирек металдардың көбі техникада тұздар немесе тотықтар түрінде қолданылады. Сол себептен сирек металдар технлогиясында қолданылатын әдістер әр түрлі. Өндіріс масштабы да әр түрлі, кейбір металдардың табиғаттағы таралуы төмен болғандықтан оларды өндіру зауыттарда жүргізіледі. Соның нәтижесінде технологиялық процестердің аппараттуралық көркемделуі де әр түрлі шешіледі..
Сирек металдардың мөлшері кендерде өте аз болғандықтан шикізатты өңдегенде сирек элементті байыту және концентрлеу жүргізеді.
Сирек металдар металлургиясы үшін шикізатты комплексті өңдеу өте маңызды және сирек металдар өндірісінң дамуында өз орнын алады. Полиметалл кендерінің құрамының негізгі бөлігін мырыш және қорғасын құарйды, сонымен қатар (сурме мен мышьяктан басқа) кадмий, талий, галий, индий, германий жүреді, ал олар қорғасын және мырыш өңдейтін зауыттардың қалдықтарында жиналады. Осы қалдықтар бірқатар құнды элементтер өңдеудегі шикізаты болып табылады. Күкірт қышқылды өндірістің шаңдарында және балшықтарында селен, теллур, талий болуы мүмкін. Қара металлургия шлактарында ванадий және титан болады. Кейбір көмірлердің күлінде көп мөлшерде германий, ванадий, кейде молибден, галий, цирконий, сирек жерлер және т.б. элементтер кездеседі. Калийлі тұздарда рубидий, цезий, саз балшықты шикізаттар – галий, индий болуы мүмкін.
.
Әдебиеттер тізімі:
1. Ферсман А.Е. Редкие металлы. 1932, № 4-5. 2. Сажин Н.П., Меерсон Г.А. Редкие элементы в новой технике // Хим. наука и пром., 1956. Т.І, № 5. 3. Меерсон Г.А. и Зеликман А.Н. Металлургия редких металлов. Метиаллургиздат, 1954. 4. Зеликман А.Н., Самсонов Г.В., Крейн О.Е. Металлургия редких металлов. Металлургиздат, 1954. 5. Тронов В.Г. Кклад русских ученых в химию редких элементов. Изд. Знание, 1952. 6. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. Изд. АН СССР, 1950.
