Мы начали свой разговор с того, что стали искать замену железу. Нужна ли такая замена? Теперь мы можем ответить на этот вопрос. Да, иногда такая замена не только необходима, но и возможна. И каждый металл, каждый сплав, каждый новый материал может и должен найти себе применение. Будущее принадлежит разумному сочетанию всех материалов.

Найдем в периодической системе элемент лантан. Он расположен в шестом периоде, третьей группе и имеет порядковый номер 57.

Читатель уже привык к тому, что каждому элементу соответствует лишь одна определенная клетка таблицы Менделеева. Однако теперь мы сталкиваемся с необычным явлением: в одной-единственной клетке лантана разместилось еще четырнадцать элементов — от церия с порядковым номером 58 до лютеция с порядковым номером 71.

Почему же церий нельзя поместить в четвертую группу, празеодим — в пятую, неодим — в шестую и так далее? Тогда у каждого элемента будет своя клетка.

Мысль эта не оригинальна. Дмитрий Иванович Менделеев пытался идти этим путем, но вскоре убедился, что подобный способ размещения противоречит закону периодичности. Допустим, церий еще можно расположить в четвертой группе — ведь он в некоторых соединениях проявляет валентность, равную четырем, и кое в чем похож на цирконий. Но последующие элементы совсем не напоминают ниобий, молибден и т. д.

Для всех заключенных в клетке лантана элементов валентность 3+ является основной. Следовательно, расположить их один за другим — значит нарушить периодичность изменения свойств по группам таблицы Менделеева.

Поистине удивительное семейство элементов поселилось в клетке лантана. Понятие «семейство» химики в отличие от ботаников не любят употреблять. Но для характеристики элементов, о которых пойдет речь, это название как нельзя более удобно. Они действительно представляют собой неразлучную и дружную семью. В природе они встречаются в одних и тех же минералах и рудах, все они — металлы, обладают удивительно сходными химическими свойствами и даже на практике, как правило, используются совместно — в качестве смеси, а не индивидуальных представителей. Другой подобной картины не встретишь нигде на всем протяжении периодической таблицы.

Ученым потребовалось много десятилетий, чтобы объяснить поразительную близость свойств этих металлов.

Теперь элементы от церия до лютеция называют лантаноидами, то есть лантаноподобными. В учебниках их рассматривают вместе с лантаном. Другое имя пятнадцати близнецов — редкоземельные элементы. Оно происходит от старинного названия «редкие земли». «Землями» ученые прошлого именовали некоторые окислы, например окиси кальция, магния и бария. Редкоземельные элементы долгое время были известны в виде окислов — «земель». А так как считали, что содержащие их минералы в природе распространены очень мало, «землям» прибавили эпитет «редкие».

Итак, редкие земли. Они ставили перед учеными массу головоломных задач. Их история, пожалуй, наиболее сложная и запутанная во всей неорганической химии.

В 1787 году лейтенант шведской армии Карл Аррениус, увлекавшийся минералогией, обнаружил в заброшенном карьере близ городка Иттерби неизвестный черный минерал. Спустя семь лет образчик находки попал в руки известного финского химика Иоанна Гадолина. Ученый установил, что в образце наряду с окислами бериллия, кремния и железа содержится около 38 процентов окиси неизвестного элемента, «новой земли». Он дал ей название «иттриевой». В 1803 году великий шведский химик Берцелиус в другом минерале нашел вторую редкую землю — «цериевую».

Два новых представителя — иттрий и церий — дополнили список элементов. Долгое время они не вызывали особого интереса — вплоть до 1839 года, когда ученик Берцелиуса Мозандер начал обширные исследования этих земель.

И тут обнаруживаются удивительные вещи. Оказывается, церий и иттрий, которые считались простыми телами, являются смесью нескольких элементов. Мозандер разделяет церий на лантан и дидим, иттрий — на тербий и эрбий. Все они похожи друг на друга как две капли воды. История открытия элементов еще не знала подобного случая, и ученые насторожились: нет ли здесь ошибки?

Но ответить на вопрос оказалось непросто. Химики не располагали достаточно точными методами контроля за чистотой выделяемых земель. Никто из исследователей не мог с уверенностью утверждать, что полученная им редкая земля на самом деле не содержит примесей. Сомнение прочно овладело умами, и разрешиться ему было суждено лишь после того, как Бунзен и Кирхгоф разработали основы и технику спектрального анализа.

«Каждый химический элемент имеет свой, присущий только ему спектр» — это правило, казалось, устраняло все неприятности. Открытия Мозандера получили весомое подтверждение. Все шесть редких земель завоевали права гражданства.

Но вот наступает 1869 год. Менделеев формулирует периодический закон и строит свою «естественную систему элементов». Далеко не все гладко в этой системе, и, в частности, совсем неясно, что делать с элементами редких земель.

Еще со времен Берцелиуса они считаются двухвалентными, и формулу их окислов записывают как MeO; лишь для церия, имеющего высшую степень окисления, допускается существование окиси Ce₃O₄. Но во второй группе таблицы Менделеева нет ни одного свободного места. Рельефно вырисовываются очертания главного «подводного камня» периодической системы. Стремительный поток противоречий грозит разбить об него саму идею периодичности изменения химических свойств элементов в зависимости от атомного веса.

Однако Менделеев, уверенный в правильности своего открытия, выдвигает смелую гипотезу: редкие земли трехвалентны, а церий сверх того имеет валентность, равную четырем. Это предположение находит вскоре неопровержимые доказательства. Наконец, Менделеев смело изменяет заниженные величины атомных весов элементов редких земель — и здесь подтверждается его правота. Кажется, дело сделано.

Нет, только половина дела! Иттрий и лантан гладко размещаются в третьей группе. Церий, будучи четырехвалентным, находит свое место в четвертой. А как быть с остальными? Дидим оказывается чужаком в пятой группе, ибо он нисколько не похож на ниобий, а попытки получить его высшую окись Di₂O₅ успеха не имеют. Для эрбия и тербия известно лишь, что они трехвалентны, а вообще же их химия почти не изучена. Фактически «подводный камень» остается на месте.

Но годы идут, и они приносят открытия новых элементов. Мозандеровский дидим оказывается на деле смесью. В 1879 году Лекок де Буабодран извлекает из него самарий; в 1885 году Ауэр фон Вельсбах разделяет его еще на два составляющих — празеодим и неодим. Появляются на свет иттербий, гадолиний, гольмий, туллий…

Широко распространенное мнение, что каждая полоса в спектре поглощения соответствует элементу, — результат некритического преклонения перед спектральным анализом. И, как грибы после дождя, во множестве «рождаются» новые редкие земли. Лишь за восемь лет, с 1878 по 1886 год, открыто около 50, причем 23 из них были даны различные названия, а для остальных «не хватило слов», и их обозначали просто буквами с индексами.

Метко сказал об этой смутной эпохе в области редких земель французский химик Урбэн: «получилось воображаемое богатство, основанное на том, что здесь ошибки преобладали, а истина в них тонула».

Но утонувшая истина тянула на дно всю периодическую систему. Как разместить в ней бесчисленные новые элементы редких земель? Как на основании периодического закона объяснить уникальную близость их свойств? И вообще сколько их всего — надоедливых близнецов? Быть может, поистине им «несть числа»?

Эти вопросы волновали ученых. Одни призывали поставить крест на периодическом законе, другие требовали модернизации таблицы элементов. Редкие земли не помещались на плоскости, и появлялись всевозможные трехмерные построения, конусы, цилиндры, спирали. Увы, они лишь маскировали проблему, создавали видимость решения, но на самом деле не решали ее.