Благородные металлы на службе у человека
Министерство общего и профессионального
образования Российской Федерации.
ОмГТУ
Кафедра оборудования и технологии
сварочного производства.
Курсовая
работа.
По курсу «В мире металлов».
На тему: «Благородные металлы на службе у человека».
Выполнил:
Студент МСФ С-110
Проверил:
Доцент к.т.н.
Шестель Л.А.
г. Омск, 2001
История
благородных металлов - одна из самых интересных глав истории материальной
культуры. По мнению многих ученых, золото было первым металлом, который человечество
начало использовать для изготовления украшений, предметов домашнего обихода и
религиозного культа. Золотые изделия были найдены в культурных слоях эпохи
неолита (V-IV тысячелетия до н.э.).
Введение. 2
Благородные металлы.. 4
Золото. 5
Серебро. 8
Родий, палладий,
осмий, иридий, рутений. 11
Список литературы.. 13
Очень долгое время, почти до конца
XVIII в., считалось, что существует всего 7 металлов: золото, серебро, ртуть,
медь, железо, олово, свинец. Золото и серебро, не изменяющиеся при действии воздуха,
влаги и высокой температуры, получили название совершенных, благородных
металлов. Прочие же металлы, которые под действием воды и воздуха теряют
металлический блеск, покрываясь налетом, а после прокаливания превращаются в
рыхлые, порошкообразные «земли» или «окалины» (оксиды), были названы
несовершенными, неблагородными.
Такое
деление металлов нередко применяется и в наши дни, но с тем отличием, что к
двум благородным металлам древнего мира и средневековья - золоту и серебру - на
рубеже XVIII и XIX вв. прибавились платина и четыре ее спутника: родий,
палладий, осмий, иридий. Рутений, пятый спутник платины, был открыт только в
1844 г.
Благородные
металлы очень мало распространены в природе. В природе благородные металлы
встречаются почти всегда в свободном (самородном) состоянии. Некоторое
исключение составляет серебро, которое находится в природе и в виде самородков,
и в виде соединений, имеющих значение как рудные минералы (серебряный блеск,
или аргентит Ag2S, роговое серебро, или кераргирит AgCl, и др.) [3]
В
нашей стране установлены пробы: 375, 500, 583, 750, 958 для золота и 800, 785,
916 для серебра. В Англии, США, Швейцарии и некоторых других странах проба
выражается в условных единицах - каратах. Проба чистого металла принята за 24
карата (проба 1000). Золото 18 каратов - то же самое, что золото 750-й пробы, и
т.д. Золотая монета в России и во многих других странах чеканилась из золота
900-й пробы, серебряная из серебра 900-й и 500-й пробы. В настоящее время
чеканка монеты из сплавов благородных металлов не производится. Однако
благородные металлы, их сплавы и химические соединения получают все
возрастающее применение в технике. [2]
Золото встречается в природе почти
исключительно в самородном состоянии, главным образом в виде мелких зёрен,
вкраплённых в кварц или содержащихся в кварцевом песке. В небольших количествах
золото встречается в сульфидных рудах железа, свинца и меди. Следы его открыты
в морской воде. Общее содержание золота в земной коре составляет около 5*10-7
вес. %. Крупные месторождения золота находятся в Южной Африке, на Аляске, в
Канаде и Австралии. [1]
Золото отделяется от песка и
измельченной кварцевой породы промыванием водой, которая уносит частицы песка,
как более лёгкие, или обработкой песка жидкостями, растворяющими золото. Чаще
всего применяется раствор цианида натрия (NaCN), в котором золото растворяется
в присутствии кислорода с образованием компелексных анионов [Au(CN)2]:
4Au + 8NaCN + O2 + 2H20
—> 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH
Из
полученного раствора золото выделяют цинком:
2Na[Au(CN)2] + Zn —> Na2[Zn(CN)4]
+ 2Au
Освобождённое
золото обрабатывают для отделения от него цинка разбавленной серной кислотой,
промывают и высушивают. Дальнейшая очистка золота от примесей (главным образом
от серебра) производится обработкой его горячей концентрированной серной
кислотой или путём электролиза.
Метод извлечения золота из руд с
помощью растворов цианидов калия или натрия был разработан в 1843 году русским
инженером П.Р. Багратионом. Этот метод, принадлежащий к гидрометаллургическим
способам получения металлов, в настоящее время наиболее распространён в
металлургии золота. [2]
Ввиду мягкости золото
употребляется в сплавах, обычно с серебром или медью. Эти сплавы применяются
для электрических контактов, для зубопротезирования и в ювелирном деле.
В химическом отношении золото —
малоактивный металл. На воздухе оно не изменяется даже при сильном нагревании.
Кислоты в отдельности не действуют на золото, но в смеси соляной и азотной
кислот (царской водке) золото легко растворяется:
Au + HNO3
+ 3HCl —> AuCl3 + NO
+ 2H2O
Так же легко растворяется золото в
хлорной воде и в аэрируемых (продуваемых воздухом) растворах цианидов щелочным
металлов. Ртуть тоже растворяет золото, образуя амальгаму, которая при
содержании более 15% золота становится твёрдой.
Известны два ряда соединений
золота, отвечающие степеням окислённости +1 и +3. Так, золото образует два
оксида — оксид золота(I), или закись золота, - Au2O -
и оксид золота(III), или окись золота - Au2O3.
Более устойчивы соединения, в которых золото имеет степень окисления +3.
Все соединения золота легко
разлагаются при нагревании с выделением металлического золота.
И в
древности, и в средние века основными областями применения золота и серебра
были ювелирное дело и изготовление монет. При этом недобросовестные люди, как
ремесленники, так и лица, стоявшие у власти, прибегали к обману, не гнушались
сплавлением драгоценных металлов с более дешевыми - золота с серебром или
медью, серебра с медью. А применение золота для зубопротезирования
известно еще древним египтянам. Применение золота в стекольной промышленности
известно с конца XVII в. [1]
Сплавы
золота с платиной, очень стойкие против химических воздействий, используют для
изготовления химической аппаратуры. Соединения золота применяют также в
медицине и в фотографии.
Золотую фольгу, а позднее
гальванопокрытия золотом широко применяли для золочения куполов церковных
храмов. Лишь последние 40 – 45 лет можно отнести к периоду чисто технического
применения золота. Золото обладает уникальным комплексом свойств, которого не
имеет ни какой другой металл. Оно обладает самой высокой стойкостью к
воздействию агрессивных сред, по электро – и теплопроводности уступает лишь
серебру и меди, ядро золота имеет большое сечение захвата нейтронов,
способность золота к отражению инфракрасных лучей близка к 100%, в сплавах оно
обладает каталитическими свойствами. Золото очень технологично, из него легко
изготавливают сверхтонкую фольгу и микронную проволоку. Покрытия золотом легко
наносят на металлы и керамику. Золото хорошо паяется и сваривается под
давлением. Такая совокупность полезных свойств послужила причиной широкого
использования золота в важнейших современных отраслях техники: электронике,
технике связи, космической и авиационной технике, химии. [1]
Следует отметить, что в
электронике на 90% золото используют в виде покрытий. Электроника и связанные с
ней отрасли машиностроения являются основными потребителями золота в технике. В
этой области золото широко используют для соединения интегральных схем сваркой
давлением или ультразвуковой сваркой, контактов штепсельных разъемов, в
качестве тонких проволочных проводников, для пайки элементов транзисторов и
других целей. В последнем случае особенно важно то, что золото образует
легкоплавкие эвтектики с индием, галлием, кремнием и другими элементами,
которые обладают проводимостью определенного типа. Помимо технологических
усовершенствований в электронике, для ряда деталей и узлов вместо золота стали
использовать палладий, покрытия оловом, сплавами олова со свинцом и сплавом 65%
Sn + 35% Ni с золотым подслоем. Сплав
олова с никелем обладает высокой износостойкостью, коррозионной стойкостью,
приемлемой величиной контактного сопротивления и электропроводностью. Несмотря
на то что в настоящее время расход золота в электронике непрерывно возрастает,
считается, что он мог быть на 30% выше, если бы не меры, направленные на
экономию золота.
В микроэлектронике широко
применяют пасты на основе на основе золота с различным электросопротивлением.
Широкое использование золота и его сплавов для контактов слаботочной аппаратуры
обусловлено его высокими электрическими и коррозионными свойствами. Серебро,
платина и их сплавы при использовании в качестве контактов, коммутирующих
микротоки при микронапряжениях, дают гораздо худшие результаты. Серебро быстро
тускнеет в атмосфере, загрязненной сероводородом, а платина полимеризует
органические соединения. Золото свободно от этих недостатков, и контакты из его
сплавов обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы. Золотые
припои с низким давлением пара используют для пайки вакуумноплотных швов
деталей электронных ламп, а также для пайки узлов в аэрокосмической
промышленности.
В измерительной технике для
контроля температуры и особенно для измерений низких температур используют
сплавы золота с кобальтом или хромом. В химической промышленности золото
главным образом используют для плакирования стальных труб, предназначенных для
транспортировки агрессивных веществ.
Золотые сплавы применяют в
производстве часовых корпусов и перьев для авторучек. В медицине используют не
только зубопротезные золотые сплавы, но и медицинские препараты, содержащие
соли золота, для различных целей, например при лечении туберкулеза.
Радиоактивное золото используют при лечении злокачественных опухолей. В научных
исследованиях золото используют для захвата медленных нейтронов. С помощью
радиоактивных изотопов золота изучают диффузионные процессы в металлах и
сплавах.
Золото применяют для металлизации
оконных стекол зданий. В жаркие летние месяцы через оконные стекла зданий
проходит значительное количество инфракрасного излучения. В этих
обстоятельствах тонкая пленка (0.13 мкм) отражает инфракрасное излучение и в
помещении становится значительно прохладнее. Если через такое стекло пропустить
ток, то оно обретет противотуманные свойства. Покрытые золотом смотровые стекла
судов, электровозов и т.д. эффективны в любое время года. [1]
Чистое серебро - очень мягкий,
тягучий металл. Оно лучше всех металлов проводит электрический ток и тепло.
В качестве примеси серебро
встречается почти во всех медных и серебряных рудах. Из этих руд и получают
около 80% всего добываемого серебра.
Серебро распространено в природе
значительно меньше, чем медь (около 10-5 вес. %). В некоторых местах
(например, в Канаде) серебро находится в самородном состоянии, но большую часть
серебра получают из его соединений. Самой важной серебряной рудой является серебряный
блеск (аpгент) - Ag2S.
Из серебра можно вытянуть проволоку длиной 100 м, масса которой всего
0,045 г; масса золотой проволоки той же длины - 0,04 г. Серебро можно проковать
в тончайшие листки (до 0,4 мкм), просвечивающие синевато-зеленым или зеленым
цветом. На практике чистое серебро вследствие мягкости почти не применяется:
обычно его сплавляют с большим или меньшим количеством меди. Сплавы серебра
служат для изготовления ювелирных и бытовых изделий, монет, лабораторной
посуды. Серебро используется для покрытия им других металлов, а также
радиодеталей в целях повышениях электоpопpоводимости и устойчивости к коррозии.
Часть добываемого серебра расходуется на изготовление сеpебpяноцинковых
аккумулятоpов.
Серебро — малоактивный металл. В
атмосфере воздуха оно не окисляется ни пpи комнатных температурах, ни при
нагревании. Часто наблюдаемое почеpнение серебряных предметов — результат
образования на их повеpхности чёрного сульфида серебра - AgS2. Это
пpоисходит под влиянием содержащегося в воздухе сеpоводоpода, а также при
сопpикосновении сеpебpяных пpедметов с пи-щевыми пpодуктами, содеpжащими
соединения сеpы.
В pяду напpяжения сеpебpо
pасположено значительно дальше водоpода. Поэтому соляная и pазбавленная сеpная
кислоты на него не действуют. Раствоpяют серебpо обычно в азотной кислоте,
котоpая взаимодействует с ним согласно уpавнению:
Ag + 2HNO3
—> AgNO3 + NO2+
H2O
Сеpебpо обpазует один pяд солей,
pаствоpы котоpых содеpжат бесцветные катионы Ag+.
Пpи действии щелочей на pаствоpы
солей сеpебpа можно ожидать получения AgOH, но вместо него выпадает буpый
осадок оксида сеpебpа(I):
2AgNO3
+ 2NaOH —> Ag2O + 2NaNO3 + H2O
Кpоме оксида
сеpебpа(I) известны оксиды AgO и Ag2O3.
Hитpат сеpебpа (ляпис) -
AgNO3 - обpазует бесцветные пpозpачные кpисталлы, хоpошо
pас-твоpимые в воде. Пpименяется в пpоизводстве фотоматеpиалов, пpи
изготовлении зеpкал, в гальва-нотехнике, в медицине.
Подобно меди, сеpебpо обладает
склонностью к обpазованию комплексных соединений.
Многие неpаствоpимые в воде
соединения сеpебpа (напpимеp: оксид сеpебpа(I) — Ag2O и хлоpид
сеpебpа — AgCl), легко pаствоpяются в водном pаствоpе аммиака.
Комплексные цианистые соединения
сеpебpа пpименяются для гальванического сеpебpения, так как пpи электpолизе
pаствоpов этих солей на повеpхности изделий осаждается плотный слой
мелкокpисталлического сеpебpа. [2]
Все соединения сеpебpа легко
восстанавливаются с выделением металлического сеpебpа. Если к аммиачному
pаствоpу оксида сеpебpа(I), находящемуся в стеклянной посуде, пpибавить в
качестве восстановителя немного глюкозы или фоpмалина, то металлическое сеpебpо
выделяется в виде плотного блестящего зеpкального слоя на повеpхности стекла.
Этим способом готовят зеpкала, а также сеpебpят внутpеннюю повеpхность стекла в
сосудах для уменьшения потеpи тепла лучеиспусканием.
Соли сеpебpа, особенно хлоpид и
бpомид, ввиду их способности pазлагаться под влиянием света с выделением
металлического сеpебpа, шиpоко используются для изготовления фотоматеpиалов
плёнки, бумаги, пластинок. Фотоматеpиалы обычно пpедставляют собою
светочувствительную суспензию AgBr в желатине, слой котоpой нанесён на
целлулоид, бумагу или стекло.
Пpи экспозиции в тех местах
светочувствительного слоя, где на него попал свет, обpазуются мельчайшие
заpодыши кpисталлов металлического сеpебpа. Это — скpытое изобpажение
фотогpафиpуемого пpедмета. Пpи пpоявлении бpомид сеpебpа pазлагается, пpичём
скоpость pазложения тем больше, чем выше концентpация заpодышей в данном месте
слоя. Получается видимое изобpажение, котоpое является обpащённым или
негативным изобpаажением, поскольку степень почеpнения в каж-дом месте
светочувствительного слоя тем больше, чем выше была его освещённость пpи
экспозиции. В ходе закpепления (фиксиpования) из светочувствительного слоя
удаляется неpазложившийся бpоми сеpебpа. Это пpоисходит в pезультате
взаимодействия между AgBr и веществом закpепителя - тиосульфатом натpия. Пpи
этой pеакции получается неpаствоpимая комплексная соль:
AgBr + 2Na2S2O3
—> Na3[Ag(S2O3)2] + NaBr
Далее негатив накладывают на
фотобумагу и подвергают действию света — "печатают". Пpи этом
наиболее освещёнными оказываются те места фотобумаги, котоpые находятся пpотив
светлых мест негатива, Поэтому в ходе печатания соотношения между светом и
тенью меняется на обpатное и ста-новится отвечающим сфотогpафиpованному
объекту. Это — позитивное изобpажение. [2]
Ионы сеpебpа подавляют pазвитие
бактеpий и уже в очень низкой концентpации (около 10-10 г-ион/л)
стерилизуют питьевую воду. В медицине для дезинфекции слизистых оболочек
пpименяются стабилизиpованные специальными добавками коллоидные pаствоpы сеpебpа
(пpотаpгол, коллаpгол и дp.).
В
течение нескольких столетий при изготовлении зеркал поверхность стекла
покрывали амальгамой олова - сплавом ртути с оловом. Эта работа вследствие
ядовитости ртутных паров была крайне вредной для здоровья. В 1856 г. знаменитый
немецкий химик Ю. Либих нашел способ покрытия стекла тончайшим слоем серебра.
Сущность способа состоит в восстановлении серебра из аммиачного раствора его
солей глюкозой. На поверхности стекла оседает тонкий прочный налет серебра,
заменяющий амальгаму. Этот быстрый, безвредный и недорогой способ окончательно
вытеснил прежний только в начале XX в.
Серебро
является наилучшим проводником электричества. Его удельное сопротивление при 20° равно 0,016 Ом*мм/м (оно равно 0,017 для меди,
0,024 для золота и 0,028 для алюминия). Интересно, что во время второй мировой
войны Государственное казначейство США выдало «Манхэттенскому проекту» 14 т
серебра для использования как проводника в работах по созданию атомной бомбы.
Вследствие хорошей электрической проводимости и стойкости против действия
кислорода при высоких температурах серебро применяется как важный в
электротехнике материал.
Благодаря
стойкости серебра против едких щелочей, уксусной кислоты и других веществ из
него изготовляют аппаратуру для химических заводов, а также лабораторную
посуду. Оно служит катализатором в некоторых производствах (например, окисления
спиртов в альдегиды). Сплавы на основе серебра применяют также для изготовления
ювелирных изделий, зубных протезов, подшипников и др. Соли серебра используют в
медицине и фотографии. Не так давно иодид серебра AgI в виде аэрозоля получил применение для искусственного вызывания дождя.
Мельчайшие кристаллики иодида серебра, введенные в облако, служат центрами, на
которых происходит конденсация водяного пара и слияние мельчайших капелек воды
в крупные дождевые капли. [1]
В 1824 г. на Урале было добыто 33 кг
самородной платины, а в 1825 г. уже 181 кг. Незадолго перед этим (в 1823 г.)
был уволен в отставку министр финансов Д.А. Гурьев,
приведший Россию на грань денежной катастрофы. Его преемник Е.Ф.Канкрин, чтобы
спасти положение, наметил в числе прочих мер чеканку платиновой монеты. В 1826
г. горные инженеры П.Г. Соболевский и В.В. Любарский разработали технологию
получения ковкой платины.
Способ
этот состоял в следующем: губчатую платину, полученную прокаливанием
«нашатырной платины», т.е. гексахлорплатината аммония, набитую в цилиндрические
железные формы, сильно сдавливали винтовым прессом и полученные цилиндры
выдерживали при температуре белого каления около 36 ч, после чего из них
отковывали полосы или прутки. К концу 1826 г. этим способом было получено 1590
кг ковкой платины. Ранее по способу парижского ювелира Жаннетти платину сплавляли
с мышьяком. Сильным прокаливанием на воздухе мышьяк выжигали из полученных
слитков, после чего их подвергали горячей ковке. Этот способ был крайне опасен
для здоровья и сопряжен с большими потерями платины. За рубежом его заменил
способ У. Уолластона, который хранился в тайне и был опубликован только в 1829
г. В основных чертах он схож со способом П.Г. Соболевского. Получение изделий
посредством прессования и последующего спекания порошков металлов, карбидов и
других соединений широко применяется под названием металлокерамики или порошковой
металлургии. [2]
Практические
применения платиновых металлов обширны и разнообразны. Они используются в
промышленности, приборостроении, зубоврачевании и ювелирном деле. Платиновые
металлы, а также их сплавы катализируют многие химические реакции, например
окисление SO2 в SO3. Однако в настоящее время эти катализаторы
заменяют другими веществами, более дешевыми.
Стойкость
против воздействия кислорода даже при высоких температурах, кислото- и
жароупорность делают платину, родий, иридий ценными материалами для
лабораторной и заводской химической аппаратуры. Тигли из радия, иридия
применяют для работ со фтором и его соединениями или для работ при очень
высокой температуре. Общая масса платиновых лодочек на одном из заводов,
изготовляющих стеклянное волокно, составляет несколько сот килограммов. Из
сплава 90% Pt + 10% Ir изготовлены международные эталоны метра
и килограмма. В частях приборов, где требуется большая твердость и стойкость
против износа, используют природный осмистый иридий. Очень светлый и не
темнеющий со временем сплав 80% Pd + 20% Ag применяют для изготовления шкал
астрономических и навигационных приборов.
По
способности отражать свет родий лишь немного уступает серебру. Он не тускнеет
со временем, поэтому зеркальные поверхности астрономических приборов
предпочитают покрывать родием. Для измерения температур до 1600°С служат
термопары из тонких проволок - из платины и из сплава 90% Pt+10% Rh. Более
высокие температуры (до 2000°С) можно измерять термопарой из иридия и сплава
60% Rh + 40% Ir. [1]
Один
из сильнейших ядов не имеющий запаха, - оксид углерода (II) СО - легко обнаружить, если внести в газовую смесь полоску
фильтровальной бумаги, смоченную раствором хлорида палладия:
PdCl2 + CO + H2O = CO2
+ 2HCl + Pd
Вследствие
выделения мелкораздробленного палладия бумага чернеет. [2]
Сплавы
платины и палладия, которые не темнеют со временем и не имеют привкуса,
применяют в стоматологии. На научные и промышленные цели идет около 90% всех
платиновых металлов, остальное - на ювелирное производство.
Орден
"Победа" и орден Суворова 1-й степени изготовляют из платины.
1. - Венецкий
С.И., Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.
2. - Энциклопедический словарь юного химика.
М.: 1990.
3. - Погодин
А., Благородные металлы. М.: Знание, 1979