Іридій - Усі кольори веселки
С.І. Венецкій
14 липня 1789 повсталий народ Франції штурмом
взяв Бастілію - почалася Велика французька революція. Поряд з багатьма
декретами і постановами, носівшімі політичний, соціальний, економічний
характер, революційний уряд прийняв рішення ввести чітку метричну
систему заходів. За пропозицією комісії, до якої увійшли авторитетні вчені, в
як одиниці довжини - метра - була прийнята одна десятимільйонна частина
чверті довжини паризького географічного меридіана. Протягом п'яти років Ж.
Деламбр і П. Мешен - найбільші фахівці в галузі астрономії та геодезії --
проводили скрупульозні вимірювання дуги меридіана від Дюнкерка до Барселони.
У 1797 році розрахунки були завершені, а через два роки
виготовили перший еталон метра - платинову лінійку, що отримала назву
"метр архіву", або "архівний метр" (за місцем зберігання). За
одиницю маси - кілограм - взяли масу одного кубічного дециметра води
(при 4 ° С), взятої з Сени. Еталоном кілограма стала платинова циліндрична
гиря.
З роками, однак, з'ясувалося, що природні
прототипи цих еталонів - паризький меридіан і вода з Сени - не дуже зручні
для відтворення, та й до того ж не відрізняються зразковим сталістю. Такі
"гріхи" вчені-метрологи визнали неприпустимим. У 1872 році
Міжнародна метрична комісія вирішила відмовитися від послуг природного
прототипу довжини: цю почесну роль довірили "архівної метру", за
образом і подобою якого виготовили 31 еталон у вигляді брусків, але вже не з
чистої платини, а зі сплаву її з іридію (10%). Через 17 років аналогічна доля
спіткала й воду з Сени: прототипом кілограма була затверджена гиря,
виконана з того ж платіноірідіевого сплаву, а міжнародними еталонами
стали 40 її точних копій.
Іридій не випадково виявився союзником платини в
еталонному сплаві. Вимоги до цього матеріалу дуже високі: він повинен володіти
надзвичайно великою міцністю і твердістю, бути тугоплавким і зносостійким,
не знати страху перед корозією і абсолютно не реагувати на зміни
температури. Сама платина не може здати на "відмінно" всі ці
іспити, а от її сплав з іридію блискуче витримує важке випробування вже в
Протягом століття. Щоправда, за цей час "архівний метр" змушений був
піти у відставку (в 1960 році еталоном метра стала довжина, що дорівнює 1650763,73
довжини хвилі оранжевого випромінювання атома ізотопу криптону-86), але найголовніше в
Світ кілограм як і раніше залишається в строю.
Служба мір і ваг - аж ніяк не єдине заняття
платіноірідіевих сплавів. З них роблять жаростійкі тиглі, які
безболісно переносять сильне нагрівання в агресивних середовищах; в таких тиглях, в
Зокрема, вирощують кристали для лазерної техніки. З повагою ставляться до
цим сплавів і ювеліри: вони охоче виготовляють з них красиві вироби, завжди
що користуються великим попитом.
Деталі хімічної апаратури і точних приладів,
електроконтакти, хірургічні інструменти, пружини, лабораторний посуд - ось
далеко не повний послужний список сплавів платини з іридію.
Кілька років тому цим сплавів запропонували нову
відповідальну роль: з них були виготовлені затискачі електродів електричних
стимуляторів серцевої діяльності. Електроди імплантують в серці людини,
страждає стенокардією; в тілі хворого знаходиться і крихітний приймач,
приєднаний до електродів і генератора з кільцевої антеною, що закріплюється на
теле поряд з приймачем (генератор ж може розташовуватися, наприклад, у кишені
костюма). Як тільки починається напад стенокардії, хворий включає
генератор. Вступники при цьому в кільцеву антену імпульси передаються в
приймач, з нього - на електроди, а потім через платіноірідіевие затиски - на
нерви, які змушують серце працювати активніше.
Багато цінні властивості притаманні і сплавів іридію з
іншими металами. Широко відомий природний сплав осмію і іридію - осмірідій
(детально про нього розповідається в нарисі про осміі "Образа благородного
металу "). Незначні добавки іридію до вольфраму і молібдену дозволяють
їм зберігати міцність при високих температурах. Титан і хром без сторонньої
допомоги здобули собі репутацію стійких борців з кислотами, але іридій зумів
підвищити і без того високі їх Антикислотний "особисті рекорди".
Можливо, у читача склалося враження, що
іридій успішно виступає лише як "співучасник" великих справ. Зовсім
немає: йому по плечу і відмінні "сольні номери". У цього
сріблясто-білого металу не тільки приємна зовнішність, але й прекрасні
фізичні дані. Він володіє значною твердістю і міцністю, непохитно
чинить опір високих температур, зносу і інших небезпечних впливів. Його
характерна риса-дуже велика щільність (22,4 г/см3). У цьому відношенні він
поступається лише своєму найближчому сусіду-осмію. Разом з іншими членами
сімейства платини іридій відноситься до благородних металів. Настільки знатне
походження забезпечує йому незалежне становище в суспільстві будь-яких кислот,
які не в силах вплинути на нього ні при звичайній, ні при підвищеній
температурах. Навіть зустріч з такої підступної і їдкою особливою, як царська горілка,
проходить для іридію безслідно, не залишаючи ніяких сумних спогадів. До
жаль, цього не скажеш про розплавлених лугах і перекису натрію - їм
іридій протистояти не в силах.
Безсумнівна гідність іридію - його здатність
практично вічно зберігати свої цінні властивості, як би не мінялися навколишні
умови. Якщо б не висока вартість (він дорожче самої платини!), Перед ним
були б розкриті двері в багато сфер наукової та інженерної діяльності
людини. Поки ж така розкіш вченим і конструкторам часто не по кишені, і
тому іридій працює сьогодні лише там, де він практично незамінний. Так, з
цього металу виготовляють лабораторні тиглі для проведення дослідів з грізним
фтором і його агресивними сполуками. З іридію роблять також мундштуки для
видування тугоплавкого скла. Для вимірювання високих температур (2000 - 2300 ° С)
сконструйована термопара, електроди якої виконані з іридію та його сплаву з
рутенієм або родием. Поки такої термопарою користуються лише в наукових цілях, а
на шляху впровадження її в промисловість стоїть все той же бар'єр - висока
вартість.
Дуже перспективні міцні і зносостійкі іридієві
покриття. Сьогодні їх застосовують рідше, ніж, скажімо, платинові, паладієві,
родієвим. Це пояснюється, мабуть, перш за все технологічними труднощами,
що виникають при нанесенні іридію на інші метали. Іридієві покриття можна
отримати електролітичним шляхом з розплавлених ціанідів калію і натрію при
600 ° С.
Дещо простіше інший спосіб-плакірованіе. У цьому
випадку на той чи інший метал накладають тонкий шар іридію, а потім
утворився "бутерброд" потрапляє під гарячий прес, в результаті
чого покриття міцно прилипає до основного металу. Схожим способом
виготовляють і ірідірованную дріт: на заготовку з вольфраму або молібдену
надягають "сорочку" - іридієві трубку і гарячої куванням з подальшим
волочінням отримують біметалеву дріт потрібної товщини. Така дріт
служить для виробництва керуючих сіток в електронних лампах.
Розроблено та хімічний спосіб нанесення іридієві
покриттів на метали і кераміку. При цьому на поверхню виробу наносять розчин
комплексної солі іридію, наприклад з фенолом або інших органічних
сполукою, і в контрольованій атмосфері виріб нагрівають до 350 - 400 ° С:
органічна речовина випаровується, а шар іридію залишається.
У чистому вигляді або в союзі з іншими металами іридій
знаходить застосування в хімічній промисловості: іридієві-нікелеві каталізатори
допомагають отримувати пропилен з ацетилену і метану; платинові каталізатори, в
складу яких входить іридій, прискорюють реакцію утворення оксидів азоту в
процесі одержання азотної кислоти.
Дуже гарні та різноманітні за кольором солі іридію.
Практичної користі ця краса поки не приносить, але зате саме їй елемент
зобов'язаний своєю назвою. У 1804 році англійський хімік Смітсон Теннант, досліджуючи
чорний порошок, що залишається після розчинення самородної платини в царській
горілці, відкрив у ньому два нові елементи. Солі одного з них були пофарбовані
буквально у всі кольори веселки.
Теннант не довелося довго ламати голову в пошуках
підходить для неї ім'ям: елемент був названий іридію, тому що по-грецьки
"іріоейдес" - райдужний.
Долі платинових металів переплелися настільки
тісно, що розповідь про одного з них немислимий без згадки про інших. У 1840
році професор Казанського університету К.К. Клаус зацікавився проблемами
переробки уральської платинової руди. На його прохання петербурзький Монетний
двір надіслав йому проби платинових залишків - нерозчинного осаду, що утворюється
після обробки сирої платини царською горілкою. "При самому початку роботи, --
писав пізніше вчений, - я був приємно вражений багатством мого залишку, бо витягнув з
нього, крім 10% платини, чимала кількість іридію, родію, осмію, кілька
паладію і суміш різних металів особливого змісту ..."
Якщо в перший час Клаус ставив перед собою лише
суто практичну мету - знайти спосіб переробки залишків платинової руди в
платину, то вже незабаром ці дослідження набули більш глибокий науковий
характер і повністю захопили вченого. "Два повних роки, - згадував
Клаус, - я кректав над цим з раннього ранку до пізньої ночі, жив тільки в
лабораторії, там обідав і пив чай, і при цьому став жахливим емпірикою ".
Останнє твердження мало цілком конкретний зміст:
за словами А.М. Бутлерова - учня Клауса, той "мав звичку ... при
розчиненні платинових руд в царській горілці заважати рідину прямо усіма п'ятьма
пальцями і визначав фортеця непрореагіровавшіх кислот на смак ".
Втім, це було властиво не тільки Клаусу, а й
іншим хімікам старої школи, які, отримавши будь-яке речовина, завжди
"дегустували" його (до середини XIX століття при описі властивостей
речовини необхідно було вказати і його смак), піддаючи себе великій небезпеці:
так, знаменитий шведський вчений Карл Шеєле загинув, спробувавши на смак отриману
їм сухий синильну кислоту.
Праці Клауса увінчалися успіхом: спосіб переробки
платинових залишків було знайдено, і тепер ученому треба було їхати до Петербурга,
щоб повідомити про це міністрові фінансів Є. Ф. Канкрін, зацікавленому в
вдалому вирішенні проблеми. Для поїздки в столицю Клаус змушений був зайняти 90
рублів в одного зі своїх друзів (повернути борг вчений зміг лише через кілька
років, коли придбав всесвітню популярність). По приїзді в Петербург Клаус був
вже через два дні прийнятий міністром і домігся від нього санкції на отримання
необхідних для продовження досліджень матеріалів. Йому було видано 1/2 фунта
платинових залишків і 1/4 фунта сирої платини.
Повернувшись до Казані, вчений знову з головою занурився в
роботу, яка тривала багато років і дала блискучі результати. Найважливішим
з них стало відкриття в 1844 році невідомого раніше хімічного елемента --
останнього "російського члена платинового сімейства".
"Вже при першій роботі, - писав Клаус, - я
помітив присутність нового тіла, але спочатку не знайшов способу відділення його від
домішок. Більш цілого року працював я над цим предметом, але нарешті відкрив
легкий і вірний спосіб добування його в чистому стані. Цей новий метал,
який названий мною рутенієм на честь нашої батьківщини (від латинської назви
Росії - С. В.), без сумніву належить до тіл вельми цікавим ".
Але відкриття Клауса не відразу отримало визнання. Перші
проби сполук нового елемента вчений послав у Стокгольм Й.Я. Берцеліус,
користувався величезним авторитетом у всіх хіміків. Яке ж було
розчарування Клауса, коли він дізнався, що, на думку цього поважного вченого,
надіслане йому речовина не містить новий елемент, а є погано
очищене підключення іридію.
Переконаний у своїй правоті Клаус знову і знову
проводив досліди, забуваючи часом про елементарні заходи захисту. Правда, через
кілька років вчений попереджав своїх колег: "При роботі з осмієво
іридію треба остерігатися від парів осмієво кислоти. Це дуже летюча
речовина належить до найбільш шкідливим тіл і діє переважно на
легкі і на очі, виробляючи сильні запалення.
Я багато терпів від неї ". Занадто велике було
бажання Клауса переконати науковий світ у тому, що дійсно відкрито новий елемент,
і він, нарешті, зумів це зробити. Препарати з'єднань рутенію знову були
послані Берцеліус, і той, провівши ретельні дослідження, зрозумів, що перш
помилявся у своїх висновках.
"Прийміть мої щирі вітання з
чудовими відкриттями і витонченої їх обробкою, - писав він Клаусу, --
завдяки їм Ваше ім'я буде незгладимо записане в історії хімії ".
Підсумком напруженої роботи Клауса став опублікований у
1845 праця "Хімічне дослідження залишків уральської платинової руди
і металу рутенію ", в якому вперше було всебічно описані і властивості
іридію, причому сам Клаус відзначав, що іридію він займався більше, ніж іншими
металами платинової групи. Рекомендації вченого стали науковою базою для
створення технології одержання іридію та інших платиноїдів. У наш час чистий
іридій виділяють із самородної осмірідія та з решток платинових руд, але
перш з них, діючи різними реагентами, витягають платину, осмій,
паладій та рутеній і лише після цього настає черга іридію. Отриманий при цьому
порошок або пресують у напівфабрикати і сплавляють, або переплавляють в
електричних печах в атмосфері аргону. При звичайній температурі іридій тендітний і
не піддається ніякій обробці, але в гарячому стані він більше
"сговорчів" і дозволяє себе кувати.
Природа бідна іридію: земні запаси його не перевищують
мільйонних часток відсотка. В усіх країнах світу за рік виробляється не більше
тонни цього металу. Але інтерес вчених до нього не слабшає. Все нові й нові
області застосування знаходять, зокрема, радіоактивні ізотопи іридію. Так,
недавно фахівці центру атомних досліджень у Кадараш (Франція)
розробили гамматрон - чуйний прилад, що дозволяє пильно стежити за
станом мостів, гребель та інших споруд із залізобетону: під дією
гамма-променів радіоактивного іридію-192 на скляній пластинці, покритої
світлочутливим шаром, з'являється чітке зображення
"нутрощів" контрольованих вузлів і деталей. За допомогою подібних
дефектоскопів перевіряють якість металевих виробів і зварних швів: на
фотоплівці фіксуються всі порожнечі, непроварені місця і сторонні включення.
У доменному виробництві малогабаритні контейнери з тим же ізотопом іридію
служать для контролю рівня матеріалів у печі.
Оскільки частина випускаються гамма-променів поглинається
шихтою, за ступенем ослаблення потоку можна досить точно визначити, яке
відстань променів довелося "пробиратися" крізь шихту, тобто з'ясувати
її рівень.
До речі, про ізотопу. Крім уже відомого вам
іридію-192, є ще 14 радіоактивних ізотопів цього елементу з масовими
числами від 182 до 198. У самого важкого ізотопу - найкоротша життя: його
період напіврозпаду менше хвилини. Цікаво, що період напіврозпаду іридію-183
- Рівно годину. Ж стабільних ізотопів у елемента всього два - іридій-191 і
іридій-193. На частку більше "вагомого" з них у природній суміші
припадає приблизно 62% атомів.
З ізотопом іридію пов'язано відкриття так званого
ефекту Мессбауера, на якому засновані вражаюче точні методи вимірювання
малих величин і слабких явищ, що широко застосовуються у фізиці, хімії, біології,
геології. Цей ефект (або, висловлюючись строго науково, резонансне ядерне
поглинання гамма-квантів у твердих тілах без віддачі) був виявлений молодим
фізиком з ФРН Рудольфом Мессбауер в 1958 році.
За кілька років до цього, коли навчання у Вищому
технічному училищі в Мюнхені підходила до кінця, він став підшукувати тему для
дипломної роботи. Один з професорів люб'язно запропонував студенту довгий
перелік тем. Як згадує сам Мессбауер, жодна з них не припала йому до
смаку, крім останньої (до речі, тринадцятий за рахунком), головне достоїнство
якої, на думку майбутнього фізика, полягало в тому, що він не мав про неї ні
найменшого уявлення. Йшлося про резонансне поглинання гамма-квантів
атомними ядрами. "Найголовнішим, - згадує фізик, - було те, що мене
ткнули носом у цю справу ".
І "цю справу" пішло на лад. Спочатку б??
захищений диплом, через два роки прийшла черга дисертації, а ще через рік
відбулося відкриття. Працюючи в Гейдельберзі, в Інституті медичних
досліджень імені Макса Планка, вчений продовжував займатися резонансним
поглинанням. Спеціальним лічильником він визначав кількість гамма-квантів, що пройшли
через металевий іридій, точніше, через один з його ізотопів; джерелами
цих гамма-квантів були порушені атомні ядра того ж самого ізотопу. Ядра,
перебувають у звичайному стані, можуть також "збудитися", але для
цього вони повинні, поглинувши гамма-квант, отримати стільки енергії,
що в точності відповідає різниці між енергіями ядра в збудженому і
основному станах (це поглинання і називається резонансним). Звичайно ж
енергія гамма-квантів виявляється трохи менше, ніж потрібно, тому що частина її
втрачається при випусканні на віддачу іспускающей ядра (щось подібне відбувається,
наприклад, при пострілі з гармати або рушниці).
Щоб усунути деякі побічні процеси, здатні
спотворити результати дослідів, Мессбауер вирішив охолодити іридій до температури
рідкого азоту. При цьому він вважав, що через зменшення швидкості руху ядер
резонансне поглинання зменшиться, а число що пройшли через іридій гамма-квантів
відповідно зросте (того ж думки дотримувалися й інші фізики). До
подив експериментатора все виявилося навпаки. У чому ж причина?
Учений робить висновок: у твердих тілах при достатньо
низькій температурі віддачу сприймає не окреме ядро, а вся речовина в
цілому, і тому втрати енергії на віддачу исчезающе малі, тобто енергія
гамма-кванта точно дорівнює різниці енергії ядра в збудженому і основному
станах. Це відкриття було визнано одним з найбільш важливих наукових подій
нашого часу (у 1961 році Мессбауер удостоєний Нобелівської премії).
Сьогодні ефект Мессбауера виявлений вже на кількох
десятках елементів, але історія науки назавжди зв'язала відкриття цього найважливішого
фізичного явища з героєм нашої розповіді - іридію.
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/
