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.

4Ag + 2H₂S + O₂ —> 2Ag₂S +2H₂O

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