Карл Ауэр фон Вельсбах: редкие земли и яркий свет

Сейчас 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.

Художник А.Бродский

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.

Ауэровская горелка

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 (2280°С) 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 2700°С) с добавкой оксида иттрия (2430°С). 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.

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 (3350°С) 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).