Металлы драгоценные - Иван Алексеев 30 стр.

Анализ данных о платине позволяет сделать достаточно оптимистический вывод. С учетом того, что мировое производство платины составляет более 130 т в год и в ближайшее время по прогнозу может достигнуть 200 т в год, объем производства осмия также может в принципе вырасти до 2 т и более в год.

Определенные надежды связывают и с производством монохромата; как сказано выше, этот источник может дать значительное количество осмия.

Обзор конъюнктуры рынка платиновых металлов и, в частности, осмиевого рынка показал, что наиболее востребованными в мире формами осмия являются металлический осмий, осмат калия и тетраоксид осмия. Ниже приведены характеристики некоторых соединений осмия.

В институте «Гипроникель» разработаны технологии получения этих аффинированных товарных форм осмиевой продукции непосредственно из полупродуктов комбината «Североникель». Таким образом, значительное увеличение выпуска осмия и стабилизация его поставок возможны без существенных капитальных вложений в рамках применяемой в России технологии за счет использования внутренних ресурсов. Одновременно целесообразно организовать исследования по изучению наиболее рационального использования осмия, изысканию новых областей его применения и наладить выпуск наиболее перспективных в настоящее время форм осмиевой продукции.

Иридий – яркий представитель МПГ

Краткая история второго английского дубля

Иридий и в природе, и в истории соседствует с героем предыдущей главы – осмием.

Оба металла примерно в одно время (около 1804 г.) открыл английский химик Смитсон Теннант.

Исследуя черный порошок, остающийся после растворения самородной платины в «царской водке», он сначала выделил из него осмий, соли которого отличались резким запахом. Затем ученый занялся песчинками, запах которых был еле уловим, и определил, что в них осмий, так же как железо и платина, оказался лишь примесью, а что было главным-это предстояло выяснить.

После множества опытов Теннант получил хлорид неизвестного вещества, а из него металл, который по некоторым физическим свойствам был похож на осмий, но отличался от него хрупкостью, а главное – своими химическими свойствами. Наиболее приметным было то, что соли этого металла имели яркую многоцветную окраску. Это и определило выбор названия – иридий (от греческого iris – радуга, радужный).

Так получилось, что открытие Теннантом нового металла привело к отмене другого элемента, над которым в тот же период работали видные французские химики А. Фуркруа и Л. Вокелен. В отличие от Уильяма Волластона, Теннант не был сторонником засекречивания своих достижений или, тем более, превращения их в шутку. Он открыто и, главное, очень убедительно продемонстрировал новые металлы и процессы их получения, и французские ученые его поддержали. Для них это было морально нелегко, но по-научному честно. Они сообщили, что тоже изучали нерастворимый остаток платиновой руды и сделали вывод о содержании в нем неизвестного элемента. Ему даже дали имя «птен» – крылатый, но до конца исследование не довели из-за странностей в поведении нового элемента. Теперь стало ясно, что птен в этих странностях не виноват, потому что его вообще нет: французские исследователи самокритично признали, что приняли за птен смесь двух элементов – иридия и осмия.

Так, открыв осмий и иридий, Теннант, вслед за своим соотечественником Волластоном, тоже совершил «дубль» в науке-семейство платиноидов пополнилось еще двумя металлами.

Свойства, запасы и применение иридия

Иридий относится к тяжелым платиноидам, по основным характеристикам (плотность, температура плавления и др.) он лишь немного уступает признанному уникальным осмию.

Атомная масса иридия 192,2.

Плотность 22,42 г/см3.

Скрытая теплота плавления при 2300 °C составляет 109,25 Дж/г.

Твердость иридия по шкале Мооса 6,0–6,5. Температура кипения выше 4400 °C. Температура плавления 2450 °C.

Металлический иридий плавится в кислородно-водородном пламени в обычной известковой печи, В пламени светильного газа и кислорода не плавится.

Коэффициент линейного расширения иридия при повышении температуры на 1 °C в интервале температур от 0 до 100 °C составляет 0,0000067.

Природа бедна иридием: земные запасы его не превышают миллионных долей процента. Один из основных источников его получения – осмистый иридий.

Минералы группы осмистого иридия генетически связаны главным образом с ультраосновными изверженными породами (дунитами и перидотитами), в которых они встречаются в тесной ассоциации с минералами группы платины, хромшпинелидами, изредка с сульфидами меди. Известны находки осмистого иридия также в гидротермальных кварцевых золотоносных жилах (встречались сростки невьянскита с золотом).

При выветривании руд осмистый иридий вследствие химической устойчивости вместе с минералами группы платины и золотом переходит в россыпи. Он широко распространен в платиноносных россыпях Свердловской области (Невьянский, Сысертский и другие районы). В незначительных количествах осмистый иридий присутствует во многих золотоносных россыпях Урала, Сибири, а также в россыпях штатов Калифорния и Орегон (США), Британской Колумбии (Канада), Бразилии и в других местах. На о-ве Тасмания (Австралия) известны россыпи, в которых минералы группы осмистого иридия преобладают над платиновыми минералами. Попутно с золотом они добываются в месторождении Витватерсранд (Южная Африка).

В наше время чистый иридий выделяют из самородного осмиридия и остатков платиновых руд, но прежде из них, действуя различными реагентами, извлекают платину, осмий, палладий и рутений и лишь после этого наступает очередь иридия. Полученный при этом порошок либо прессуют в полуфабрикаты и сплавляют, либо переплавляют в электрических печах в атмосфере аргона. При обычной температуре иридий хрупок и не поддается никакой обработке, но в горячем состоянии может подвергаться ковке.

Во всем мире производится около 1 т этого металла в год. Это обстоятельство сдерживает спрос и сужает сферы использования иридия. Другим фактором, который осложняет применение иридия, является упомянутая хрупкость. Склонность к хрупкому межзеренному разрушению (ХМР) – одна из главных причин плохой обрабатываемости иридия.

В иридии технической чистоты снижение пластичности происходит за счет сегрегации примесей по границам зерен, что делает такой металл практически необрабатываемым. В высокочистом поликристаллическом иридии ХМР также вызывает снижение пластичности по сравнению с монокристаллом, но сегрегация примесей наблюдается далеко не на всех границах зерен. Иными словами, в таких случаях границы зерен в металле сами по себе являются «опасными» местами. В качестве причины склонности к хрупкости рассматривается торможение дислокаций на границах зерен из-за их специфической структуры.

Существуют два способа подавления межзеренной хрупкости или повышения обрабатываемости иридия. Первый-путем микролегирования повысить «прозрачность» границ для дислокаций. Второй – вывести границы зерен из материала, т. е. вырастить массивный монокристалл, и не допускать рекристаллизации металла при термомеханической обработке. Последний способ применяется, например, на Екатеринбургском заводе ОЦМ, что позволяет получать изделия из иридия любых требуемых размеров и форм.

Поэтому, несмотря на значительные, но преодолимые трудности, иридий используется в целом ряде сфер. И надо сказать, что ему находили применение еще в XIX в.

Если вспомнить о выпуске в России в 1828 г. первой платиновой монеты, то следует отметить, что тот белый червонец не был чисто платиновым, хотя на нем и была надпись: «2 зол. 41 дол, чистой уральской платины». На деле же монета содержала около 97 % платины и 1,2 % иридия (остальное составляли палладий, родий, медь и железо). Это было, если так можно сказать, анонимное применение иридия. Но в том же веке для него было найдено официальное и важное назначение – материал для эталонов мер и весов.

Известно, что такие эталоны должны обладать неизменяемыми с течением времени объемом и длиной, иметь достаточную механическую прочность и не иметь на поверхности даже легких следов окислов. Этим требованиям наилучшим образом отвечал сплав платины и иридия.

Еще в 1872 г. Международная метрическая комиссия постановила изготовить 31 эталон длины – «архивный метр» в виде брусков из сплава платины с 10 % иридия, а через 17 лет в качестве прототипа килограмма была утверждена гиря, выполненная из того же платиноиридиевого сплава, а международными эталонами стали 40 ее точных копий, которые поступили в хранилища разных городов.

В XX в, «архивный метр» был отменен (в 1960 г эталоном метра стала длина, равная 1650763,73 длины волны оранжевого излучения атома изотопа крилтона-86), но платиноиридиевая гиря в форме цилиндра диаметром и высотой 39 мм до конца столетия оставалась международным эталоном килограмма.

В XX в, «архивный метр» был отменен (в 1960 г эталоном метра стала длина, равная 1650763,73 длины волны оранжевого излучения атома изотопа крилтона-86), но платиноиридиевая гиря в форме цилиндра диаметром и высотой 39 мм до конца столетия оставалась международным эталоном килограмма.

В наши дни иридий благодаря своим уникальным свойствам находит применение прежде всего там, где он незаменим в качестве конструкционного материала изделий, эксплуатируемых в агрессивных средах и при высоких температурах. Обычно для этих изделий используются сплавы иридия с платиной. Основная область применения иридия – в качестве контейнерного материала, который может успешно эксплуатироваться до температуры 2100 °C. Из него изготовляют, например, тигли для выращивания оксидных монокристаллов.

Освоены технологии изготовления тиглей из металла электронно-лучевой плавки, монокристаллической заготовки, а также тиглей, полученных методом гальванопластики. На эти цели идет около 40 % общего потребления иридия.

Кроме тиглей изготовляются контейнеры для малогабаритных источников тепловой и электрической энергии, обмотки для электропечей, катодов, другие изделия.

Наиболее ходовыми являются сплавы платины с 1, 5, 10, 15, 20 и 25 % иридия.

Для производства искусственного шелка применяются фильеры из сплава платины с 2,5 % lr. Этот сплав обладает твердостью по Бринеллю около 45 кгс/мм2 и сопротивлением разрыву около 20 кгс/мм2.

Сплавы с 20–25 % иридия используются для изготовления магнето авиационных и других моторов.

Сплавы платины с 5-10 % иридия применяются в ювелирной промышленности.

Несколько лет назад сплавам с иридием была предложена новая ответственная роль в медицине: из них изготовили зажимы электродов электрических стимуляторов сердечной деятельности. Электроды вживляются в сердце человека, страдающего стенокардией; в теле больного находится и крохотный приемник, присоединенный к электродам и генератору с кольцевой антенной, закрепляемой рядом с приемником (генератор же может располагаться, например, в кармане костюма). Как только начинается приступ стенокардии, больной включает генератор. Поступающие при этом в кольцевую антенну импульсы передаются в приемник, из него – на электроды, а затем через платиноиридиевые зажимы – на нервы, которые заставляют сердце работать активнее.

Многие ценные свойства присущи и сплавам иридия с другими металлами. Незначительные добавки иридия к вольфраму и молибдену позволяют им сохранять прочность при высоких температурах.

Термоэлементами с парой иридий – рутений можно измерять температуру в пределах от 1600 до 2000 °C и выше.

Сплав осмий-иридий благодаря твердости и отсутствию магнитных свойств применяется для изготовления морских компасов.

Окись иридия используется в живописи по фарфору для придания ему черного цвета.

Продолжаются закупки иридия для использования в нейтрализаторах, установленных на автомобильных двигателях прямого впрыска, однако ожидается, что в будущем они снизятся в связи с введением более строгих экологических нормативов по выхлопам в Европе и Японии. У двигателей прямого впрыска могут возникнуть определенные проблемы с соответствием новому законодательству, и представляется вероятным, что, хотя будут найдены новые каталитические комбинации, они не потребуют использования иридия.

В других областях автомобильной промышленности ожидается увеличение использования платиново-иридиевых сплавов для электродов свечей зажигания. Испытания показали, что ресурс таких электродов может достигать 250 тыс, км пробега и более.

Иридий применяется также для изготовления точных измерительных приборов, лампочек накаливания, наконечников для перьев и хирургических инструментов, игл для шприцев, неамальгамирующих катодов. Правда, есть вероятность замены иридия в некоторых изделиях. Например, сплав платины с 10 % иридия, применяемый для изготовления игл медицинских шприцев, может быть заменен сплавом палладия с платиной, так как иглы работают при малых температурах и в условиях, не вызывающих интенсивной коррозии. В электротехнических приборах, в которых сплав платины с 10 % иридия используется в качестве контактов, иридий может быть заменен палладием.

Весьма перспективны прочные и износостойкие иридиевые покрытия. Сегодня их применяют реже, чем, скажем, платиновые, палладиевые, родиевые. Это объясняется технологическими трудностями, возникающими при нанесении иридия на другие металлы. Иридиевое покрытие можно получить электролитическим путем из расплавленных цианидов калия и натрия при температуре 600 °С. Несколько проще другой способ – плакирование. В этом случае на тот или иной металл накладывают тонкий слой иридия, а затем образовавшийся «бутерброд^ попадает под горячий пресс, в результате чего покрытие прочно прилипает к основному металлу. Сходным способом изготовляют и иридированную проволоку: на заготовку из вольфрама или молибдена надевают «рубашку» – иридиевую трубку и горячей ковкой с последующим волочением получают биметаллическую проволоку нужной толщины. Такая проволока служит для производства управляющих сеток в электронных лампах.

Разработан и химический способ нанесения иридиевых покрытий на металлы и керамику. При этом на поверхность изделия наносят раствор комплексной соли иридия, например с фенолом или другим органическим соединением, и в контролируемой атмосфере нагревают изделие до 350400 °C; органическое вещество улетучивается, а слой иридия остается.

В чистом виде либо в союзе с другими металлами иридий находит применение в химической промышленности: иридиево-никелевые катализаторы помогают получать пропилен из ацетилена и метана; платиновые катализаторы, в состав которых входит иридий, ускоряют реакцию образования окислов азота в процессе получения азотной кислоты.

Другой областью, где используется иридий, является производство радиоизотопа иридий-191, применяемого в качестве датчика для контроля различных материалов и процессов, в том числе и в медицине. В настоящее время известно 15 изотопов этого элемента с массовыми числами от 182 до 198. У самого тяжелого изотопа – самая короткая жизнь: его период полураспада меньше минуты. Любопытно, что период полураспада иридия-183 – ровно час. Стабильных же изотопов у элемента всего два – иридий-191 и иридий-193. На долю более «весомого» из них в природной смеси приходится примерно 62 % атомов.

Изотопы иридия находят все новые области применения. Например, несколько лет назад во Франции специалисты Центра атомных исследований разработали гамматрон – прибор, позволяющий следить за состоянием мостов, плотин и других сооружений из железобетона: под действием гамма-лучей радиоактивного иридия-192 на стеклянной пластинке, покрытой светочувствительным слоем, появляется четкое изображение «внутренностей» контролируемых узлов и деталей, С помощью подобных дефектоскопов проверяют качество металлических изделий и сварных швов: на фотопленке фиксируются все пустоты, непроверенные места и инородные включения. В доменном производстве малогабаритные контейнеры с тем же изотопом иридия служат для контроля уровня материалов в печи.

В России изотоп иридия-192 также применяется для подобных целей. В октябре 2000 г, об этом стало известно из хроники происшествий. Сначала речь не шла о криминале, скорее всего причиной опасного случая стала халатность, но она, как и простота, иногда хуже воровства.

Было и такое…

ТЕПЕРЬ В АМУРЕ ЕСТЬ ИРИДИЙ?

В р. Амур, в Хабаровском крае, затонула баржа, на борту которой, помимо контейнеров с оборудованием, находился контейнер с радиоактивным элементом иридий-192. Радиационный фон в районе затопления баржи находится в норме. К поиску контейнера приступили водолазы. Правда, их работу на 10-метровой глубине затрудняет сильное течение. Специалисты утверждают, что при аварии контейнер должен сохранить герметичность. Опрокидывание баржи произошло на повороте реки. При сильном течении и возникших волнах баржа стремительно затонула, опустившись на глубину 10 м. При аварии никто не пострадал, однако на речном дне оказалось 220 бочек с нефтепродуктами и трехтонный контейнер с двумя источниками ионизирующего излучения – изотопом иридий-192, предназначавшимся оборонному предприятию ОАО «Николаевский-на-Амуре судостроительный завод». Иридий-192 используется на заводе при изготовлении дефектоскопов, оценивающих надежность сварных соединений, Что стало причиной аварии – халатность капитана или перегруженность баржи, еще предстоит выяснить. Между тем известно, что ущерб Николаевского-на-Амуре судостроительного завода, которому принадлежало все затонувшее оборудование, составил 1,5 млн долл.