Драгоценный металл - иридий. Металл иридий: история, свойства, как получают и где используют
Химия
Больше двух столетий прошло с тех пор, как появились первые сведения о платине - белом металле из Южной Америки. Долгое время люди были уверены, что это чистый металл, так же, как золото. Только в самом начале XIX в. Волластон сумел выделить из самородной платины палладий и родий, а в 1804 г. Теннант, изучая черный осадок, оставшийся после растворения самородной платины в царской водке, нашел в нем еще два элемента. Один из них он назвал осмием , а второй - иридием. Соли этого элемента в разных условиях окрашивались в различные цвета. Это свойство и было положено в основу названия: по-гречески значит «радуга».
В 1841 г. известный русский химик профессор Карл Карлович Клаус занялся исследованием так называемых платиновых остатков, т. е. нерастворимого осадка, остающегося после обработки сырой платины царской водкой.
«При самом начале работы, - писал Клаус, - я был удивлен богатством моего остатка, ибо извлек из него, кроме 10% платины, немалое количество иридия, родия, осмия, несколько палладия и смесь различных металлов особенного содержания»...
Клаус сообщил горному начальству о богатстве остатков. Власти заинтересовались открытием казанского ученого, которое сулило значительные выгоды. Из платины в то время чеканили монету, и получение драгоценного металла из остатков казалось очень перспективным. Через год Петербургский монетный двор выделил Клаусу полпуда остатков. Но они оказались бедными платиной, и ученый решил провести на них исследование, «интересное для науки».
«Два года,- писал Клаус,- занимался я постоянно этим трудным, продолжительным и даже вредным для здоровья исследованием» и в 1845 г. опубликовал работу «Химическое исследование остатков уральской платиновой руды и металла рутения». Это было первое систематическое исследование свойств аналогов платины. В нем впервые были описаны и химические свойства иридия.
Клаус отмечал, что иридием он занимался больше, чем другими металлами платиновой группы. В главе об иридии он обратил внимание на неточности, допущенные Берцелиусом при определении основных констант этого элемента, и объяснил эти неточности тем, что маститый ученый работал с иридием, содержащим примесь рутения, тогда еще не известного химикам и открытого лишь в ходе «химического исследования остатков уральской платиновой руды и металла рутения».
Какой же он, иридий?
Атомная масса элемента № 77 равна 192,2. В таблице Менделеева он находится между осмием и платиной. И в природе он встречается главным образом в виде осмистого иридия - частого спутника самородной платины. Самородного иридия в природе нет.
Иридий - серебристо-белый металл
, очень твердый, тяжелый и прочный. По данным фирмы «Интернейшнл Никель и Ко», это самый тяжелый элемент: его плотность 22,65 г/см 3 , а плотность его постоянного спутника - осмия, второго по тяжести 22,61 г/см 3 . Правда, большинство исследователей придерживаются иной точки зрения: они считают, что иридий все-таки немного легче осмия.
Естественное свойство иридия (он же платиноид!) - высокая коррозионная стойкость. На него не действуют кислоты ни при нормальной, ни при повышенной температуре. Даже знаменитой царской водке монолитный иридий «не по зубам». Только расплавленные щелочи и перекись натрия вызывают окисление элемента № 77.
Иридий стоек к действию галогенов. Он реагирует с ними с большим трудом и только при повышенной температуре. Хлор образует с иридием четыре хлорида: IrCl, IrCl 2 , IrСl 3 и 1гСl 4 . Треххлористый иридий получается легче всего из порошка иридия, помещенного в струю хлора при 600° С. Единственное галоидное соединение, в котором иридий шестивалентен,- это фторид IrF 6 . Тонкоизмельченный иридий окисляется при 1000° С и в струе кислорода, причем в зависимости от условий могут получаться несколько соединений разного состава.
Как и все металлы платиновой группы, иридий образует комплексные соли. Среди них есть и соли с комплексными катионами, например Сl 3 и соли с комплексными анионами, например К 3 *ЗН 2 0. Как комплексообразователь иридий похож на своих соседей по таблице Менделеева.
Чистый иридий получают из самородного осмистого иридия и из остатков платиновых руд (после того как из них извлечены платина , осмий, палладий и рутений). О технологии получения иридия распространяться не будем, отослав читателя к статьям «Родий», «Осмий» и «Платина».
Иридий получают в виде порошка, который затем прессуют в полуфабрикаты и сплавляют или же порошок переплавляют в электрических печах в атмосфере аргона. Чистый иридий в горячем состоянии можно ковать, однако при обычной температуре он хрупок и не поддается никакой обработке.
Иридий в деле
Из чистого иридия делают тигли для лабораторных целей и мундштуки для выдувания тугоплавкого стекла. Можно, конечно, использовать иридий и в качестве покрытия. Однако здесь встречаются трудности. Обычным электролитическим способом иридий на другой металл наносится с трудом, и покрытие получается довольно рыхлое. Наилучшим электролитом был бы комплексный гексахлорид иридия, однако он неустойчив в водном растворе, и даже в этом случае качество покрытия оставляет желать лучшего.
Разработан метод получения иридиевых покрытий электролитическим путем из расплавленных цианидов калия и натрия при 600° С. В этом случае образуется плотное покрытие толщиной до 0,08 мм.
Менее трудоемко получение иридиевых покрытий методом плакирования. На основной металл укладывают тонкий слой металлапокрытия, а затем этот «бутерброд» идет под горячий пресс. Таким образом получают вольфрамовую и молибденовую проволоку с иридиевым покрытием. Заготовку из молибдена или вольфрама вставляют в иридиевую трубку и проковывают в горячем состоянии, а затем волочат до нужной толщины при 500-600° С. Эту проволоку используют для изготовления управляющих сеток в электронных лампах.
Можно наносить иридиевые покрытия на металлы и керамику химическим способом. Для этого получают раствор комплексной соли иридия, например с фенолом или каким-либо другим органическим веществом. Такой раствор наносят на поверхность изделия, которое затем нагревают до 350-400° С в контролируемой атмосфере, т. е. в атмосфере с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом. Органика в этих условиях улетучивается, или выгорает, а слой иридия остается на изделии.
Но покрытия - не главное применение иридия. Этот металл улучшает механические и физико-химические свойства других металлов. Обычно его используют, чтобы повысить их прочность и твердость. Добавка 10% иридия к относительно мягкой платине повышает ее твердость и предел прочности почти втрое. Если же количество иридия в сплаве увеличить до 30%, твердость сплава возрастет ненамного, но зато предел прочности увеличится еще вдвое - до 99 кг/мм 2 . Поскольку такие сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, из них делают жаростойкие тигли, выдерживающие сильный нагрев в агрессивных средах. В таких тиглях выращивают, в частности, кристаллы для лазерной техники. Платино-иридиевые сплавы привлекают и ювелиров - украшения из этих сплавов красивы и почти не изнашиваются. Из платино-иридиевого сплава делают также эталоны, иногда - хирургический инструмент.
В будущем сплавы иридия с платиной могут приобрести особое значение в так называемой слаботочной технике как идеальный материал для контактов. Каждый раз, когда происходит замыкание и размыкание обычного медного контакта, возникает искра; в результате поверхность меди довольно быстро окисляется. В контакторах для сильных токов, например для электродвигателей, это явление не очень вредит работе: поверхность контактов время от времени зачищают наждачной бумагой, и контактор вновь готов к работе. Но, когда мы имеем дело со слаботочной аппаратурой, например в технике связи, тонкий слой окиси меди весьма сильно влияет на всю систему, затрудняет прохождение тока через контакт. А именно в этих устройствах частота включений бывает особенно большой - достаточно вспомнить АТС (автоматические телефонные станции). Вот здесь-то и придут на помощь не обгорающие платино-иридиевые контакты - они могут работать практически вечно! Жаль только, что эти сплавы очень дороги и пока их недостаточно.
Добавляют не только к платине. Небольшие добавки элемента № 77 к вольфраму и молибдену увеличивают прочность этих металлов при высокой температуре. Мизерная добавка иридия к титану (0,1%) резко повышает его и без того значительную стойкость к действию кислот. То же относится и к хрому. Термопары, состоящие из иридия и сплава иридия с родием (40% родня), надежно работают при высокой температуре в окислительной атмосфере. Из сплава иридия с осмием делают напайки для перьев авторучек и компасные иглы.
Резюмируя, можно сказать, что металлический иридий применяют из-за его постоянства. Как и другие металлы VIII группы, иридий может быть использован в химической промышленности в качестве катализатора. Иридиево-никелевые катализаторы иногда применяют для получения пропилена из ацетилена и метана. Иридий входил в состав платиновых катализаторов реакции образования окислов азота (в процессе получения азотной кислоты).. Один из окислов иридия, Ir0 2 , пытались применять в фарфоровой промышленности в качестве черной краски. Но слишком уж дорога эта краска...
Запасы иридия на Земле невелики, его содержание в земной коре исчисляется миллионными долями процента. Невелико и производство этого элемента - не больше тонны в год. Во всем мире! В связи с этим трудно предположить, что со временем в судьбе иридия наступят разительные перемены - он навсегда останется редким и дорогим металлом. Но там, где его применяют, он служит безотказно, и в этой уникальной надежности залог того, что наука и промышленность будущего без иридия не обойдутся.
ИРИДИЕВЫЙ СТОРОЖ. Во многих химических и металлургических производствах, например в доменном, очень важно знать уровень твердых материалов в агрегатах. Обычно для такого контроля используют громоздкие зонды, подвешиваемые на специальных зондовых лебедках. В. последние годы зонды стали заменять малогабаритными контейнерами с искусственным радиоактивным изотопом - иридием-192. Ядра 1921г испускают гамма-лучи высокой энергий; период полураспада изотопа равен 74,4 суток. Часть гамма-лучей поглощается шихтой, и приемники излучения фиксируют ослабление потока. Последнее пропорционально расстоянию, которое проходят лучи в шихте. Иридий-192 с успехом применяют и для контроля сварных швов; с его помощью на фотопленке четко фиксируются все непроваренные места и инородные включения. Гамма-дефектоскопы с иридием-192 используют также для контроля качества изделий из стали и алюминиевых сплавов.
ЭФФЕКТ МЁССБАУЭРА. В 1958 г. молодой физик из ФРГ Рудольф Мёссбауэр сделал открытие, обратившее на себя внимание всех физиков мира. Открытый Мёссбауэром эффект позволил с поразительной точностью измерять очень слабые ядерные явления. Через три года после открытия, в 1961 г., Мёссбауэр получил за свою работу Нобелевскую премию. Впервые этот эффект обнаружен на ядрах изотопа иридий-192.
СЕРДЦЕ БЬЕТСЯ АКТИВНЕЕ. Одно из наиболее интересных применений платино-иридиевых сплавов за последние годы - изготовление из них электрических стимуляторов сердечной деятельности. В сердце больного стенокардией вживляют электроды с платино-иридиевыми зажимами. Электроды соединены с приемником, который тоже находится в теле больного. Генератор же с кольцевой антенной находится снаружи, например в кармане больного. Кольцевая антенна крепится на теле напротив приемника. Когда больной чувствует, что наступает приступ стенокардии, он включает генератор. В кольцевую антенну поступают импульсы, которые передаются в приемник, а от него - на платино-иридиевые электроды. Электроды, передавая импульсы на нервы, заставляют сердце биться активнее. Сейчас в России многие станции скорой помощи оборудованы подобными генераторами. В случае остановки сердца делают надрез ключичной вены, вводят в нее соединенный с генератором электрод, включают генератор, и через несколько минут сердце вновь начинает работать.
ИЗОТОПЫ-СТАБИЛЬНЫЕ И НЕСТАБИЛЬНЫЕ. В предыдущих заметках довольно много говорилось о радиоизотопе иридий-192, применяемом в многочисленных приборах и даже причастном к важному научному открытию. Но, кроме иридия-192, у этого элемента есть еще 14 радиоактивных изотопов с массовыми числами от 182 до 198. Самый тяжелый изотоп в то же время - самый короткоживущий, его период полураспада меньше минуты. Изотоп иридий-183 интересен лишь тем, что его период полураспада - ровно один час. Стабильных же изотопов у иридия всего два. На долю более тяжелого - иридия-193 в природной смеси приходится 62,7%. Доля легкого иридия-191 соответственно 37,3%.
ПОЛЕЗНЫЕ ХЛОРИРИДАТЫ. Хлориридатами называют комплексные хлориды четырехвалентного иридия; общая их формула Ме 2 . Благодаря хлориридатам можно в принципе уверенно разделять соединения таких похожих элементов, как натрий и калий. Хлориридат натрия растворим в воде, а хлориридат калия - практически нерастворим. Но для такой операции хлориридаты слишком дороги, так как дорог исходный иридий. Это не значит однако, что хлориридаты вообще бесполезны. Способность иридия образовывать эти соединения используют для выделения элемента № 77 из смеси платиновых металлов.
Иридий - химический элемент с атомным номером 77 в периодической системе, обозначается символом Ir (лат. Iridium ).
История открытия иридияВ 1804 году английский химик Смитсон Теннант, исследуя
черный порошок, остающийся после растворения самородной платины в царской
водке, открыл в нем два новых элемента. Соли одного из них были окрашены
буквально во все цвета радуги. Теннанту не пришлось долго ломать голову в
поисках подходящего для него имени: элемент был назван иридием, так как
по-гречески "ириоэйдес" - радужный.
Судьбы платиновых металлов переплелись настолько тесно, что рассказ об одном из
них немыслим без упоминания о других. В 1840 году профессор Казанского
университета К. К. Клаус заинтересовался проблемами переработки уральской
платиновой руды. По его просьбе петербургский Монетный двор прислал ему пробы
платиновых остатков - нерастворимого осадка, образующегося после обработки
сырой платины царской водкой. "При самом начале работы, - писал позднее
ученый, - я был удивлен богатством моего остатка, ибо извлек из него, кроме 10%
платины, немалое количество иридия, родия, осмия, несколько палладия и смесь
различных металлов особенного содержания..."
Если в первое время Клаус ставил перед собой лишь чисто практическую цель-
найти способ переработки остатков платиновой руды в платину, то уже вскоре эти
исследования приобрели более глубокий научный характер и полностью захватили
ученого. "Два полных года, - вспоминал Клаус, - я кряхтел над этим с раннего
утра до поздней ночи, жил только в лаборатории, там обедал и пил чай, и при
этом стал ужасным эмпириком". Последнее утверждение имело вполне
конкретный смысл: по словам А. М. Бутлерова -
ученика Клауса, тот "имел привычку... при растворении платиновых руд в
царской водке мешать жидкость прямо всеми пятью пальцами и определял крепость
непрореагировавших кислот на вкус". Впрочем, это было свойственно не
только Клаусу, но и другим химикам старой школы, которые, получив какое-либо
вещество, всегда "дегустировали" его (до середины XIX века при
описании свойств вещества необходимо было указать и его вкус), подвергая себя
большой опасности: так, знаменитый шведский ученый Карл Шееле погиб, попробовав
на вкус полученную им безводную синильную кислоту. Труды Клауса увенчались
успехом: способ переработки платиновых остатков был найден, и теперь ученому
предстояло ехать в Петербург, чтобы сообщить об этом министру финансов Е. Ф.
Канкрину, заинтересованному в удачном решении проблемы. Для поездки в столицу
Клаус вынужден был занять 90 рублей у одного из своих друзей (вернуть долг
ученый смог лишь спустя несколько лет, когда приобрел всемирную известность).
По приезде вПетербург Клаус был уже через два дня принят министром и добился от
него санкции на получение необходимых для продолжения исследований материалов.
Ему были выданы 1/2 фунта платиновых остатков и 1/4 фунта сырой платины.
Вернувшись в Казань, ученый вновь с головой окунулся в работу, которая
продолжалась много лет и дала блестящие результаты. Важнейшим из них стало
открытие в 1844 году неизвестного ранее химического элемента -
последнего"русского члена платинового семейства". "Уже при
первой работе, - писал Клаус, - я заметил присутствие нового тела, но сначала
не нашел способа отделения его от примесей. Более целого года трудился я над
этим предметом, но наконец открыл легкий и верный способ добывания его в чистом
состоянии. Этот новый металл, который назван мною рутением в честь нашего
отечества (от латинского названия России - С. В.), принадлежит без
сомнения к телам весьма любопытным".
Но открытие Клауса не сразу получило признание. Первые пробы соединений нового
элемента ученый послал в Стокгольм Й.Я. Берцелиусу, пользовавшемуся огромным
авторитетом у всех химиков. Каково же было разочарование Клауса, когда он
узнал, что, по мнению этого маститого ученого, присланное ему вещество не
содержит новый элемент, а представляет собой плохо очищенное соединение иридия.
Убежденный в своей правоте Клаус снова и снова проводил опыты, забывая порой об
элементарных мерах защиты. Правда, спустя несколько лет ученый предупреждал
своих коллег: "При работе с осмиевым иридием надобно остерегаться от паров
осмиевой кислоты. Это весьма летучее
вещество принадлежит к самым вредным телам и действует преимущественно на
легкие и на глаза, производя сильные воспаления. Я много терпел от нее".
Слишком велико было желание Клауса убедить научный мир в том, что действительно
открыт новый элемент, и он, наконец, сумел это сделать. Препараты соединений
рутения опять были посланы Берцелиусу, и тот, проведя тщательные исследования,
понял, что прежде ошибался в своих выводах. "Примите мои искренние
поздравления с превосходными открытиями и изящной их обработкой, - писал он
Клаусу, - благодаря им Ваше имя будет неизгладимо начертано в истории химии".
Итогом напряженной работы Клауса стал опубликованный в 1845 году
труд"Химическое исследование остатков уральской платиновой руды и металла
рутения", в котором впервые были всесторонне описаны и свойства иридия,
причем сам Клаус отмечал, что иридием он занимался больше, чем другими
металлами платиновой группы. Рекомендации ученого стали научной базой для
создания технологии получения иридия и других платиноидов.
Нахождение иридия в природе
Содержание иридия в земной коре ничтожно мало (10 −7 масс. %). Он встречается гораздо реже золота и платины и вместе с родием, рением и рутением относится к наименее распространённым элементам. Однако иридий относительно часто встречается в метеоритах и не исключено, что реальное содержание металла на планете гораздо выше: его высокая плотность и высокое сродство к железу (сидерофильность) могли привести к смещению иридия вглубь Земли, в ядро планеты, в процессе её формирования из расплава.
Физические свойства иридия
Тяжёлый серебристо-белый металл, из-за своей твердости плохо поддающийся механической
обработке.
Решётка кубическая гранецентрированная, а 0
=0,38387 нм
Электрическое сопротивление - 5,3·10 −8 Ом·м (при
0 °C)
Коэффициент линейного расширения - 6,5×10 −6 град
Модуль нормальной упругости - 52,029×10 6 кг/мм²
Химические свойства иридия
Важнейшие соединения с металлом иридий
Гидроксид иридия(III) Ir(OH) 3 , точнее
гидратированный оксид иридия(III) Ir 2 O 3 *nH 2 O
осадок зеленого цвета, получается осаждением из раствора хлороиридата (III)
натрия Na 3 . Соединения иридия(III) -
восстановители, Ir(OH) 3 кислородом окисляется до Ir(OH) 4 .
Ir 2 O 3 при нагревании диспропорционирует на Ir и IrO 2 .
Оксид иридия (IV). IrO 2 получается в виде сине-черного
порошка при разложении гидроксида или окислением иридия. Резисторный материал.
Гидроксид иридия (IV) Ir(OH) 4 . Темно-синее аморфное вещество,
в воде, растворах кислот и щелочей не растворимо, кроме концентрированной
серной кислоты. Получается при щелочном гидролизе (NH 4) 2 .
Галогениды. Продуктом прямого взаимодействия иридия с фтором является
гексафторид иридия IrF 6 . Это соединение очень активно, оно не только
реагирует с водой по уравнению
IrF 6 + 5H 2 O = Ir(OH) 4 + 6HF + 1/2O 2 ,
но окисляет даже хлор, причем образуются IrF 4 и ClF. Используется
для нанесения покрытий.
Хлориды иридия(III) и (IV), кристаллы, гидролизуются водой. Характерно
образование комплексных хлоридов при взаимодействии с хлоридами щелочных
металлов: Na 3 - зеленые кристаллы, Na 2
- темно-красный, растворим, гексахлороиридаты(IV) калия и аммония -
малорастворимы.
Соли иридия. Вообще иридий образует мало обычных солей. Соли иридия(III)
с комплексными катионами аналогичны соответствующим солям хрома (III) и
кобальта(III), представляют собой прочные комплексные соединения X 3 ,
X 3 , X 2 .
Карбонилы иридия: желто-зеленый Ir 2 (CO) 8 , возгоняется,
и ярко-желтый Ir 4 (CO) 12 , при нагревании разлагается.
Используются для нанесения покрытий.
Помимо уже известного вам иридия-192, имеется еще 14 радиоактивных 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.
С изотопом иридия связано открытие так называемого эффекта Мссбауэра, на котором основаны поразительно точные методы измерения малых величин и слабых явлений, широко применяемые в физике, химии, биологии, геологии. Этот эффект (или, выражаясь строго научно, резонансное ядерное поглощение гамма -квантов в твердых телах без отдачи) был обнаружен молодым физиком из ФРГ Рудольфом Мссбауэром в 1958 году. За несколько лет до этого, когда учеба в Высшем техническом училище в Мюнхене подходила к концу, он стал подыскивать тему для дипломной работы. Один из профессоров любезно предложил студенту длинный перечень тем. Как вспоминает сам Мссбауэр, ни одна из них не пришлась ему по вкусу, кроме последней (кстати, тринадцатой по счету), главное достоинство которой, по мнению будущего физика, заключалось в том, что он не имел о ней ни малейшего представления. Речь шла о резонансном поглощении гамма- квантов атомными ядрами. "Самым главным, - вспоминает физик, - было то, что меня ткнули носом в это дело". И "это дело" пошло на лад. Сначала был защищен диплом, спустя два года пришел черед диссертации, а еще через год состоялось открытие. Работая в Гейдельберге, в Институте медицинских исследований имени Макса Планка, ученый продолжал заниматься резонансным поглощением. Специальным счетчиком он определял число гамма- квантов, прошедших через металлический иридий, точнее, через один из его изотопов; источниками этих гамма- квантов были возбужденные атомные ядра того же самого изотопа. Ядра, пребывающие в обычном состоянии, могут также "возбудиться", но для этого они должны, поглотив гамма-квант, получить такое количество энергии, которое в точности соответствует разности между энергиями ядра в возбужденном и основном состояниях (это поглощение и называется резонансным). Обычно же энергия гамма -квантов оказывается чуть меньше, чем нужно, так как часть ее теряется при испускании на отдачу испускающего ядра (нечто подобное происходит, например, при выстреле из пушки или ружья).
Чтобы устранить некоторые побочные процессы, способные исказить результаты опытов, Мссбауэр решил охладить иридий до температуры жидкого азота. При этом он полагал, что из-за уменьшения скорости движения ядер резонансное поглощение уменьшится, а число прошедших через иридий гамма -квантов соответственно возрастет (того же мнения придерживались и другие физики). К удивлению экспериментатора все оказалось наоборот. В чем же причина? Ученый делает вывод: в твердых телах при достаточно низкой температуре отдачу воспринимает не отдельное ядро, а все вещество в целом, и поэтому потери энергии на отдачу исчезающе малы, т. е. энергия гамма -кванта точно
равна разности энергии ядра в возбужденном и основном состояниях. Это открытие было признано одним из наиболее важных научных событий нашего времени (в 1961 году Мссбауэр удостоен Нобелевской премии). Сегодня эффект Мссбауэра обнаружен уже на нескольких десятках элементов, но история науки навсегда связала открытие этого важнейшего физического явления с героем нашего рассказа - иридием.
Получение иридия
Основной источник получения иридия - анодные шламы медно-никелевого производства. Из концентрата металлов платиновой группы отделяют Au, Pd, Pt и др. Остаток, содержащий Ru, Os и Ir, сплавляют с KNO 3 и КОН, сплав выщелачивают водой, раствор окисляют Cl 2 , отгоняют OsO 4 и RuO 4 , а осадок, содержащий иридий, сплавляют с Na 2 O 2 и NaOH, сплав обрабатывают царской водкой и раствором NH 4 Cl, осаждая иридий в виде (NH 4) 2 , который затем прокаливают, получая металлический Ir. Перспективен метод извлечения иридия из растворов экстракцией гексахлороиридатов высшими алифатическими аминами. Для отделения иридия от неблагородных металлов перспективно использование ионного обмена. Для извлечения иридия из минералов группы осмистого иридия минералы сплавляют с ВаО 2 , обрабатывают соляной кислотой и царской водкой, отгоняют OsO 4 и осаждают иридий в виде (NH 4) 2 .
В наше время чистый иридий выделяют из самородного осмиридия и из 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 он более "сговорчив" и позволяет себя ковать.
Применение иридия
Сплавы с W и Th - материалы термоэлектрических генераторов, с Hf - материалы для топливных баков в космических аппаратах, с Rh, Re, W - материалы для термопар, эксплуатируемых выше 2000 °C, с La и Се - материалы термоэмиссионных катодов.
Иридий используется также для изготовления перьев для ручек. Небольшой шарик из иридия можно встретить на кончиках перьев и чернильных стержней, особенно хорошо его видно на золотых перьях, где он отличается по цвету от самого пера.
Железоникелевый метеорит, содержавший в себе немало иридия и прочих , а потому чрезвычайно массивный, врезался в Землю, ударив по краю полуострова Юкатан (Мексика) 65 млн. лет назад – в эпоху безраздельного царствования динозавров.
Грунт из кратера диаметром в 180 и глубиной в 20 километров частью испарился (вместе с большей частью иридия), частью распылился. Наступили пыльные сумерки. Ударной волной, прошедшей как сквозь, так и вокруг планеты, были инициированы масштабные извержения в Азии и на территории Индостана, в ту пору плывшего от Мадагаскара на север и еще даже не пересекшего экватора. Дым и пыль вулканического происхождения усугубили ситуацию еще более...
Иридий – маркер космической катастрофы
Некоторые из ученых высказывают гипотезу, что динозавров погубило обилие тяжелых металлов в воздушной взвеси. Однако наиболее передовые биологи склонны считать фатальным стечение двух факторов: колоссальных размеров животных и...чихательного рефлекса. Резкое повышение артериального давления при спонтанном прочищении дыхательных путей губительно для кровеносных сосудов – особенно если чихать приходится непрестанно.Исчезновение динозавров дало возможность развития млекопитающим, итогом эволюции которых стало появление человека. Благодарный небесному заступничеству, человек провел исследования метеоритных остатков из наиболее крупных кратеров. Содержание иридия в обломках металлических гостей из космоса оказалось рекордным. Столь же рекордно содержание иридия в осадочных породах, укрывших землю вскоре после юкатанской катастрофы.
Однако больше всего благородного металла, уверены геологи, скрыто в недрах Земли.
Происхождение и свойства иридия
Как и все платиноиды, иридий – продукт многоступенчатого ядерного синтеза элементов , возможного при взрывах сверхновых или в катаклизмах еще большего масштаба. Образуется иридия немного, но Земле повезло формироваться в области, богатой металлами. Естественной (хотя и неподтвержденной) представляется концентрация иридия (равно как и , и платины) в ядре планеты.Остатки иридия в земной коре незначительны (золота в 40 раз больше), однако позволяют ежегодно добывать несколько тонн благородного металла. Честь открытия и наименования иридия принадлежит англичанину Смитсону Теннанту. Восхищенный разноцветьем солей металла (молочно-белый KIrF6, лимонно-желтый IrF5, желтый K3IrCl6, зеленый Na3IrBr6, бордовый Cs3IrI6, малиновый Na2IrBr6, черный IrI3), ученый предложил дать новому элементу имя Ириды – греческой богини радуги.
В обработке иридий неподатлив. Тридцать лет ушло на получение металла, очищенного от примесей. Как оказалось, беспримесный иридий ковок при температурах яркого свечения. Охлаждаясь, он утрачивает способность переносить механические воздействия и крошится под нагрузкой. Иридиевый порошок, запаянный в стеклянные сосуды – продукт работы аффинажных предприятий.
Долгое время иридий считался чемпионом по параметру плотности. Уже в наши дни теоретические расчеты вывели на первое место осмий – однако разница настолько невелика, что подтвердить ее простым взвешиванием не удается. Да и отделение осмия от иридия – задача непростая!
Иридий и осмий – братья навек
В природе иридий и осмий нередко объединяются . Естественная смесь металлов может называться осмиридий – если осмия больше – или иридиосмий, если процент иридия в сплаве выше. В отечественной минералогической практике закрепились названия осмирида и иридистого осмия.По легендам, в первой половине ХХ века обточенные кристаллики натурального осмирида припаивали к кончикам золотых перьев «вечных» ручек для обеспечения мягкости письма. На самом деле подобные опыты единичны, а в массовой реальности золотые перья авторучек упрочняют вольфрамом.
В среде любителей ювелирного искусства существует небольшой, но устойчивый и совершенно не удовлетворенный спрос на изделия из натурального осмирида. Любители экзотических украшений иногда спрашивают о возможности изготовления осмиридиевых изделий.
К сожалению, минерал этот крайне редок и не слишком декоративен – хотя и характеризуется сильным металлическим блеском. Осмирид тверд, хрупок и почти не поддается механической обработке. К тому же природная смесь иридия и осмия часто содержит немалое количество примесей – платины, золота, – что меняет и вид, и стоимость материала.
Искусственно полученные сплавы иридия и осмия строго нормированы по процентному составу элементов, но дороги, востребованы в промышленности и нетехнологичны в ювелирном отношении.
Применение иридия
После того, как выяснилась незаменимость иридия для производства свечей зажигания премиального качества, основным потребителем благородного металла стала автомобильная промышленность. Подъемы и спады в производстве легковых авто и иридиевых свечей для них обуславливают перепады цен на очищенный металл. За один год автостроители мира могут поднять спрос на иридий с одной тонны до почти одиннадцати – чтобы в следующем году, из-за кризисного снижения продаж, обойтись полутонной драгоценного платиноида.Потребность в иридии постоянна у изготовителей техники, работающей в экстремальных условиях. Реактивные двигатели нуждаются в иридиевых сплавах из-за их высокотемпературной прочности. Жаропрочный сплав иридия – элемент силовых установок космических роботов, работающих на атомной энергии. Сплавленный с иридием титан служит в трубопроводах, способных работать в океанских глубинах.
Радиоактивный иридий 192 – главный инструмент контроля качества сварных швов . Этот же источник гамма-излучения помогает врачам побеждать опухолевые процессы.
Слой иридия толщиной в несколько атомов покрывает зеркала телескопов, принимающих рентгеновское излучение. В прошлом при помощи платино-иридиевого покрытия продлевали срок службы замков артиллерийских орудий.
В ювелирной отрасли иридий используется для отделки и инкрустаций, хотя с недавних предпринимаются попытки изготовления иридиевых украшений. Куда более традиционно иридирование ювелирной платины: десятипроцентная добавка иридия делает изделие прочным, износоустойчивым, красивым.
Иридий (от греч. iris радуга) - химический элемент с атомным номером 77 в периодической системе, обозначается символом Ir (лат. Iridium). Это очень твёрдый, тугоплавкий, серебристо-белый переходный драгоценный металл платиновой группы. Его плотность наряду с плотностью осмия является самой высокой среди всех металлов (плотности Os и Ir практически равны). Вместе с другими членами семейства платины иридий относится к благородным металлам.
В 1804 году, изучая черный осадок, оставшийся после растворения самородной платины в царской водке, английский химик С. Теннант нашел в нем два новых элемента. Один из них он назвал осмием, а второй – иридием. Соли второго элемента в разных условиях окрашивались в различные цвета. Это свойство и было положено в основу его названия.
Иридий очень редкий элемент, содержание в земной коре 1 10–7% по массе. Он встречается гораздо реже золота и платины и вместе с родием, рением и рутением относится к наименее распространённым элементам. В природе встречается главным образом в виде осмистого иридия – частого спутника самородной платины. Самородного иридия в природе нет.
Цельный иридий нетоксичен, но некоторые его соединения, например, IrF6, очень ядовиты. В живой природе не играет никакой биологической роли.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИРИДИЯ
Из-за своей твердости иридий плохо поддается механической обработке.
Твердость по шкале Мооса – 6,5.
Плотность 22.42 г/см3.
Температура плавления 2739 K (2466 °C).
Температура кипения 4701 K (4428 °C).
Удельная теплоёмкость 0.133 Дж/(K моль).
Теплопроводность 147 Вт/(м K).
Электрическое сопротивление 5,3 10-8Ом м (при 0 °C).
Коэффициент линейного расширения 6,5х10-6 град.
Модуль нормальной упругости 52,029х10-6 кг/мм2.
Теплота плавления 27.61 кДж/моль.
Теплота испарения 604 кДж/моль.
Молярный объём 8.54 см3/моль.
Структура кристаллической решётки - кубическая гранецентрированная.
Период решётки 3.840 А.
Природный иридий встречается в виде смеси из двух стабильных изотопов: 191Ir (содержание 37,3 %) и 193Ir (62,7 %). Искусственными методами получены радиоактивные изотопы иридия с массовыми числами 164 - 199, а также множество ядерных изомеров. Самый тяжелый изотоп в то же время – самый короткоживущий, его период полураспада меньше минуты. Изотоп иридий-183 интересен лишь тем, что его период полураспада – ровно один час. Радиоизотоп иридий-192 широко применяется в многочисленных приборах.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИРИДИЯ
Иридий отличается высокой химической стойкостью. На воздухе устойчив, с водой не реагирует. Компактный иридий при температурах до 100 °C не реагирует со всеми известными кислотами и их смесями, в том числе и с царской водкой.
Он взаимодействует с F2 при 400 - 450 °C, а c Cl2 и S при температуре красного каления. Хлор образует с иридием четыре хлорида: IrCl, IrCl2, IrCl3 и IrCl4. Треххлористый иридий получается легче всего из порошка иридия, помещенного в струю хлора при 600°C.
Порошок иридия может быть растворён хлорированием в присутствии хлоридов щелочных металлов при 600 - 900 °C:
Ir + 2Cl2 + 2NaCl = Na2.
Взаимодействие с кислородом происходит только при температуре выше 1000°C, при этом образуется диоксид иридия IrO2, который практически не растворяется в воде. В растворимую форму его переводят, окисляя в присутствии комплексообразователя:
IrO2 + 4HCl + 2NaCl = Na2 + 2H2O.
Высшая степень окисления +6 проявляется у иридия в гексафториде IrF6, единственное галоидное соединение, в котором иридий шестивалентен. Это очень сильный окислитель, способный окислить даже воду:
2IrF6 + 10H2O = 2Ir(OH)4 + 12HF + O2.
Как и все металлы платиновой группы, иридий образует комплексные соли. Среди них есть и соли с комплексными катионами, например Cl3 и соли с комплексными анионами, например K3 3H2O.
Месторождения и добыча
В природе иридий встречается в виде сплавов с осмием, платиной, родием, рутением и другими платиновыми металлами. В рассеянной форме (10–4% по массе) содержится в сульфидных медно-никелевых железосодержащих рудах. Металл является одним из компонентов таких минералов, как ауросмирид, сысертскит и невьянскит.
Коренные месторождения осмистого иридия расположены в основном в перидотитовых серпентинитах складчатых областей (в ЮАР, Канаде, России, США, на Новой Гвинее). Ежегодное производство иридия составляет около 10 тонн.
Получение иридия
Основной источник получения иридия - анодные шламы медно-никелевого производства. Полученный шлам обогащают и, действуя на него царской водкой при нагревании, переводят в раствор платину, палладий, родий, иридий и рутений в виде хлоридных комплексов H2, H2, H3, H2 и H2. Осмий остается в нерастворимом осадке.
Из полученного раствора добавлением хлорида аммония NH4Cl сначала осаждают комплекс платины (NH4)2, а затем комплекс иридия (NH4)2 и рутения (NH4)2.
При прокаливании (NH4)2 на воздухе получают металлический иридий:
(NH4)2 = Ir + N2 + 6HCl + H2.
Порошок прессуют в полуфабрикаты и сплавляют или же переплавляют в электрических печах в атмосфере аргона.
Российские предприятия-производители иридия:
- ОАО «Красцветмет»;
- НПП «Биллон»;
- ОАО ГМК «Норильский Никель».
ПРИМЕНЕНИЕ ИРИДИЯ
Иридий-192 является радионуклидом с периодом полураспада 74 суток, широко применяемым в дефектоскопии, особенно в условиях, когда генерирующие источники не могут быть использованы (взрывоопасные среды, отсутствие питающего напряжения нужной мощности).
Иридий-192 с успехом применяют для контроля сварных швов: с его помощью па фотопленке четко фиксируются все непроваренные места и инородные включения.
Гамма-дефектоскопы с иридием-192 используют также для контроля качества изделий из стали и алюминиевых сплавов.
В доменном производстве малогабаритные контейнеры с тем же изотопом иридия служат для контроля уровня материалов в печи. Поскольку часть испускаемых гамма-лучей поглощается шихтой, по степени ослабления потока можно достаточно точно определить, какое расстояние лучам пришлось "пробираться" сквозь шихту, т. е. выяснить ее уровень.
Особый интерес в качестве источника электроэнергии вызывает его ядерный изомер иридий-192m2 (имеющий период полураспада 241 год).
Иридий в палеонтологии и геологии является индикатором слоя, который сформировался сразу после падения метеоритов.
Небольшие добавки элемента №77 к вольфраму и молибдену увеличивают прочность этих металлов при высокой температуре.
Мизерная добавка иридия к титану (0,1%) резко повышает его и без того значительную стойкость к действию кислот.
То же относится и к хрому.
Сплавы с W и Th - материалы термоэлектрических генераторов,
с Hf - материалы для топливных баков в космических аппаратах,
с Rh, Re, W - материалы для термопар, эксплуатируемых выше 2000 °C,
с La и Се - материалы термоэмиссионных катодов.
Из сплава иридия с осмием делают напайки для перьев авторучек и компасные иглы.
Для измерения высоких температур (2000- 23000 °C) сконструирована термопара, электроды которой выполнены из иридия и его сплава с рутением или родием. Пока такой термопарой пользуются лишь в научных целях, а на пути внедрения ее в промышленность стоит все тот же барьер - высокая стоимость.
Иридий, наряду с медью и платиной, применяется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания в качестве материала для изготовления электродов, делая такие свечи наиболее долговечными (100 - 160 тыс. км пробега автомобиля) и снижая требования к напряжению искрообразования.
Из чистого иридия изготавливают жаростойкие тигли, которые безболезненно переносят сильный нагрев в агрессивных средах; в таких тиглях, в частности, выращивают монокристаллы драгоценных камней и лазерных материалов.
Одно из наиболее интересных применений платино-иридиевых сплавов – изготовление электрических стимуляторов сердечной деятельности. В сердце больного стенокардией вживляют электроды с платино-иридиевыми зажимами. Электроды соединены с приемником, который тоже находится в теле больного. Генератор же с кольцевой антенной находится снаружи, например в кармане больного. Кольцевая антенна крепится на теле напротив приемника. Когда больной чувствует, что наступает приступ стенокардии, он включает генератор. В кольцевую антенну поступают импульсы, которые передаются в приемник, а от него – на платино-иридиевые электроды. Электроды, передавая импульсы на нервы, заставляют сердце биться активнее.
Иридий используется для покрытия поверхностей изделий. Разработан метод получения иридиевых покрытий электролитическим путем из расплавленных цианидов калия и натрия при 600°C. В этом случае образуется плотное покрытие толщиной до 0,08 мм.
Иридий может быть использован в химической промышленности в качестве катализатора. Иридиево-никелевые катализаторы иногда применяют для получения пропилена из ацетилена и метана. Иридий входил в состав платиновых катализаторов реакции образования окислов азота (в процессе получения азотной кислоты).
Из иридия делают также мундштуки для выдувания тугоплавкого стекла.
Платино-иридиевые сплавы привлекают и ювелиров – украшения из этих сплавов красивы и почти не изнашиваются.
Из платино-иридиевого сплава делают также эталоны. Из этого сплава, в частности, изготовлен эталон килограмма.
Иридий используется также для изготовления перьев для ручек. Небольшой шарик из иридия можно встретить на кончиках перьев, особенно хорошо его видно на золотых перьях, где он отличается по цвету от самого пера.
Там, где применяют иридий, он служит безотказно, и в этой уникальной надежности залог того, что наука и промышленность будущего без этого элемента не обойдутся.