Иридий: факты и фактики

иридийПочему его так назвали?

Соли иридия отличаются многообразием своих рас­цветок, например IrСl — медно-красный, IrСl2 — темно-зеленый, IrСl3 — оливково­-зеленый, IrСl4 — коричневый, IrF2 — жел­тый, Ir2O3 и IrВr — синие. От этого-то он и получил свое название, происходящее от имени греческой богини радуги — Ириды. Открыли же иридий в начале XIX века, когда химики занялись вопросом: чи­стое ли вещество самородная платина? Получить ответ на этот вопрос нелегко, поскольку платина — благородный ме­талл и очень плохо взаимодействует с химическими веществами. В 1803 году английский химик Уильям Волластон растворил платину в царской водке и выделил из полученного раствора два платиноида — палладий и родий. А год спустя его соотечественник Смитсон Теннант из оставшегося при таком рас­творении твердого вещества выделил еще два платиноида — осмий и иридий.

Почему эталоны веса и длины были сделаны из сплава платины с добав­кой иридия?

Иридий — один из самых химически стойких элементов: он не растворяется даже в царской водке, и только расплавленная щелочь или пере­кись натрия способны его расплавить. Легче всего образуется треххлористый ири­дий: для этого порошок металла надо продувать нагретым до 600о С хлором. Чтобы получить оксид, требуется делать то же самое кислородом, но нагретым уже до 1000° С. Добавка 10% иридия к платине придает сплаву необычайную химическую стойкость и прочность, поэтому из него и были сделаны эталоны метра и килограм­ма. Ныне первый уже отслужил свое и за­менен длиной волны излучения криптона, а второму замену физики пока не нашли, хотя и ищут. Среди других предметов, вы­тесненных из обихода научно-техническим прогрессом, — перьевые ручки с пером из сплава платины с иридием: такое перо долго не изнашивалось.

Сколько иридия на нашей планете?

Это один из редчайших металлов, его содер­жание в земной коре точно не определено, а оценено в десятимиллионную долю процента. Летом 2012 года унция иридия стоила 1085 долларов США, или в полтора раза меньше, чем золото. Со времени прошлого обращения журнала к этому элементу в 1973 году иридий сильно по­дешевел — тогда он был в пять раз дороже золота. Мировое производство сильно зависит от спроса и может за считанные годы колебаться от 1 до 6 с лишним тонн.

Как получают иридий? Этот металл и его минералы сопутствуют платине, по­этому его получают при разделении пла­тиноидов, а основы соответствующего процесса заложил член-корреспондент Императорской академии наук Карл Кар­лович Клаус в середине XIX века. Именно он указывал, что иридий и другие ценные металлы можно добывать из отходов производства платины. Воспользовать­ся его советом в России не удалось: в 1862 году более 10 тонн таких отходов Санкт-Петербургского монетного двора были проданы англичанам. В последу­ющие полвека никто так и не собрался организовать правильное использование таких отходов; русские ученые и инже­неры покупали платиноиды за границей. Практически сразу после революции, в мае 1918 года, был создан Институт по изучению платины и других благородных металлов (ныне ИОНХ им. Н.С.Курнакова РАН), и вскоре налажено отечественное производство платиноидов. Помимо переработки платины, их источником слу­жат сульфидные медно-никелевые руды, из которых извлекают всю смесь благо­родных металлов в качестве побочного продукта производства меди или никеля.

Откуда взялся иридий на поверх­ности планеты?

Считается, что при образовании планет происходит так называемая стратификация: тяжелые элементы сосредоточиваются в ядре, а легкие — в коре. Поэтому на поверх­ности планет земного типа платиноидов быть не должно, однако они есть. Есть подозрение, что это — результат после­дующей астероидной бомбардировки. Действительно, если состав астероидов соответствует исходному веществу протопланетной туманности, они должны быть обогащены тяжелыми металлами по сравнению с корой планет. Обогащение окажется еще сильнее, если предполо­жить, что некоторые астероиды, особенно металлические, представляют собой обломки ядра гипотетической погибшей планеты — Фаэтона. Расчет показывает, что все платиноиды на поверхность Зем­лю могли принести 160 металлических астероидов диаметром 20 км. Платиноиды могли бы попасть на поверх­ность и в результате извержений, но пока мало кто знает их точное содержание в магме, чтобы разобраться с этой гипо­тезой. Еще один источник — космическая пыль, хотя единства мнений о ее объемах нет. По результатам спутниковых из­мерений, на планету ежедневно падает 200—300 тонн пыли, и эти данные под­тверждаются динамикой накопления иридия и платины в полярных ледниках. Метеорологические же данные дают лишь 5 тонн пыли в день.

Что такое иридиевая аномалия?

При падении и последующем взрыве астеро­ида тяжелые элементы должны ровным слоем выпасть на поверхности планеты. Так иридий со своей крайней химической инертностью стал серьезным индика­тором древних космических катастроф — обогащенные им слои дают даты таких событий. Наиболее заметная иридиевая аномалия присутствует повсеместно на границе отложений мелового и третичного периодов. Вместе с другими свидетель­ствами эта аномалия позволила многим исследователям предположить, что при­чиной резкой смены биосферы в этот мо­мент, и прежде всего гибели динозавров, послужило именно падение астероида. С этой гипотезой согласны далеко не все, тем более что существует проблема последних трех миллионов лет: именно столько отделяет датировки свежайших массовых захоронений динозавров от времени смены периодов — позднее такие находки крайне редки. В любом случае каждый, кто строит историю планеты, должен объяснять иридиевую аномалию.

иридийКстати, во время самой свежей и ши­роко обсуждаемой в научном сообществе гипотетической катастрофы космиче­ского происхождения — похолодание позднего дриаса примерно 11 тысяч лет тому назад — иридиевой аномалии об­наружено не было. Впрочем, причиной этого похолодания считают столкновение не с астероидом, а с кометами, в которых иридия по определению быть не должно.

Зачем иридий нужен людям?

Из этого металла в чистом виде делают тигли для выращивания качественных монокри­сталлов для лазеров: благодаря высокой химической инертности и жаростойкости такой тигель не реагирует с помещен­ным в него содержимым. Впрочем, из­готовление электрических контактов из сплава платины с иридием до недавнего времени оставалось основным примене­нием этого металла, поэтому колебания спроса в электронной промышленности сильно влияют на его производство. Весьма интересное направление исполь­зования иридиевых электродов возникло сравнительно недавно — для электрости­муляции нервов. При такой операции в мозг организма вводят электрод и с его помощью решают какую-то проблему. Например, электрический сигнал, пода­ваемый в определенную область мозга пациента с болезнью Паркинсона на частоте 25—100 Гц, существенно умень­шает дрожание конечностей. Схожим способом врачи пытаются лечить эпилеп­сию, хроническую боль и шизофрению. Другое использова­ние вживляемых в мозг микроскопических электродов — создание протезов глаза и слухового аппарата. Во всех этих случаях помимо химической инертности электрод должен передавать большое количество электричества. Гибкий полимерный электрод диаметром в несколько десят­ков микрон и с микронным покрытием из оксида иридия оказывается несравнимо лучше для этой цели, чем стальной или платиновый.

Как его применяют в современной химии?

Подобно всем платиноидам, иридий — отличный катализатор, но из- за редкости этого металла и высокой цены его применение ограничено. Од­нако если судить по научным публика­циям последних пятнадцати лет, для иридиевых катализато­ров найдена уникальная и чрезвычайно важная область использования. Речь идет о синтезе сложных органических соединений из простейших, таких, как низшие олефины, с образованием новых С-С связей, конструированием сложных углеродных скелетов и широчайшими возможностями введения разнообразных функциональных групп. Единственным дополнительным реагентом в этих про­цессах выступает водород, и при этом не образуется никаких побочных продуктов — блестящий образец «зеленой химии». Считается, что такие процессы могут быть востребованы, если отказаться от ископа­емого сырья для органического синтеза и перейти на сырье возобновляемое, полу­ченное из ныне живущих растений.

Сейчас трудно представить себе органический синтез без металлоком­плексных палладиевых катализаторов, не случайно эти работы были отмечены в 2010 году Нобелевской премией по хи­мии. Вполне возможно, что в будущем им на смену придут катализаторы на основе комплексов иридия.

Другое направление связано с создани­ем систем искусственного фотосинтеза, которые должны обеспечить человеку прямое преобразование солнечного света в топливо или какие-то другие полезные органические соединения. Главным его этапом служит окисление воды, то есть превращение двух молекул H20 в кис­лород, четыре иона водорода и четыре электрона, которые впоследствии можно употребить на восстановление углекис­лого газа или еще как-нибудь. В качестве окислителя воды был найден четырех­валентный церий, например, в составе нитрата аммония, а вот хороший, стабиль­ный после растворения в воде катализа­тор найти долго не удавалось. Оказалось, что с этой работой справляется комплекс на основе хлорида иридия: в тече­ние недели он беспрепятственно разлагал воду, производя множество кислородных пузырьков. Впрочем, это не единственный подход к решению задачи искусственного фотосинтеза.

Какую роль сыграл иридий в от­крытии метода мессбауэровской спектроскопии?

Именно на изотопах Ir-191 Рудольф Мёссбауэр в 1958 году и обнаружил эффект, который лег в основу методa. Он изучал особенности воз­буждения ядер гамма-лучами. В качестве их источника были взяты возбужденные атомы иридия, испускавшие гамма-кван­ты, а мишенью служил невозбужденный образец, который часть из них поглощал. Мёссбауэр считал, что охлаждение, снижающее амплитуды колебаний ато­мов, должно приводить к уменьшению поглощения гамма-квантов, ведь чем меньше колебания, тем меньше вероят­ность у атома оказаться на пути кванта. А получилось наоборот. Попытка объяснить аномалию и привела к открытию явления резонансного поглощения гамма-лучей. Благодаря ему химики и физики получили чрезвычайно чувствительный метод из­учения строения вещества

Зачем нужен радиоактивный иридий?

Изотоп Ir-192, испускающий гамма-лучи, давно служит для радиотерапии пре­жде всего рака груди и предстательной железы. Гамма-лучи опасны, поскольку они глубоко проникают в тело человека, повреждая здоровые ткани. Однако если злокачественные клетки оказываются распределенными по всему объему орга­на, для их уничтожения, после вырезания основной опухоли, приходится применять своеобразное оружие массового по­ражения. Медик же должен выбрать, что приведет к меньшим побочным послед­ствиям: облучение или химиотерапия. Зачастую выбор оказывается в пользу внедрения ампулы с радиоактивным элементом. Иногда, на ранних стадиях, обходятся и без хирургической опера­ции, налагая радиоактивный препарат на поверхность органа. В этом случае нужен именно источник гамма-лучей, поскольку бета- или альфа-лучи в глубь органа про­никнуть не могут. Период полураспада иридия-192 — 72 дня.

Как из иридия хотят создать па­мять?

Устройства флеш-памяти внесли немалый вклад в информационную революцию, обеспечив каждого же­лающего компактным средством хра­нения текстов, картинок или музыки. Однако нет в мире совершенства: вся­кому хочется иметь флешку большого объема при сохранении ее размера. Этому уже начинают мешать физические ограничения, в частности размер важно­го элемента флеш-памяти — транзистора с плавающим затвором, способным хра­нить помещенный в него электрический заряд на протяжении десятилетий. Есть мнение, что уменьшить его размер мож­но, применив пленку из кремния, содер­жащую металлические нанокристаллы.

Соответствующий металл должен обладать двумя качествами: хорошо удерживать свои электроны и обладать высокой жаростойкостью, поскольку элементы памяти при изготовлении на­гревают до 900о С. Наметившиеся было претенденты — никель и вольфрам — не смогли проявить необходимый комплекс свойств. А вот иридий сумел. Поскольку расход нанокристаллов ме­талла на одну микросхему ничтожен, исчисляется квадрильонными долями миллиграмма, возможно, эта идея смо­жет реализоваться в новых устройствах. И тогда чуть ли не у каждого в кармане будет лежать пусть ничтожный, но ку­сочек космического металла — иридия.

А.Мотыляев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>