ХИМИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА ЭЛЕМЕНТОВ

Железо, кобальт, никель; 2) рутений, родий, палладий; 3) осмий, иридий, платина; 4) ганий, мейтнерий и элемент с атомным номером 110.

Первая триада образована металлами четного (верхнего) ряда четвертого периода:

Железо (Ferrum) Fe – химический элемент ПСЭ с атомным номером 26 и относительной атомной массой 55,847 а.е.м.; природное железо образовано четырьмя стабильными изотопами: ⁵⁴Fe (5,84 %), ⁵⁶Fe (91,68 %), ⁵⁷Fe (2,17 %), ⁵⁸Fe (0,31 %). Степени окисления железа +2 и +3 (наиболее характерны), +1, +4, +6, +8.

Название железа происходит от санскритского слова "жалжа", что означало "металл, руда". Научное название элемента произошло от латинского слова "феррум" - железо.

Железо относится к одним из самых распространенных в природе элементов (занимает четвертое место): его содержание в земной коре составляет 4,65 % по массе. Известно более 300 минералов, содержащих железо; практическое значение имеют руды с содержанием железа в количестве 16 %, важнейшими из которых являются: магнетит (магнитный железняк) Fe₃O₄ (содержание железа составляет 72,4 %), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe₂O₃ (содержание железа – 70 %), гётит α-FeO(OH), лепидокрокит γ-FeO(OH), гидрогётит (лимонит) Fe₂O₃^.×nH₂O (содержание железа - ~ 62 %),сидерит FeCO₃ (содержание железа – 48,2 %), ильменит FeTiO₃ (36,8 % железа)

По физическим характеристикам железо – блестящий серебристо-белый пластичный металл с температурой плавления 1535 °С.

Железо - важнейший строительный материал мироздания. Железо есть всюду. Астрономы при помощи спектрального анализа находят железо в раскаленных атмосферах бесчисленных далеких и близких звезд. Геофизики утверждают, что ядро земного шара состоит из железа с примесью похожих на него металлов - никеля и кобальта; земная же кора не больше как легкая окалина, которая, как подсчитали геохимики, на 4,5 % состоит из железа. На поверхности Земли железо распространено повсеместно. Оно находится почти во всех глинах, песках, горных породах. В некоторых местностях оно образует мощное скопление руд, из которых, например, на Урале, состоят целые горы - Бакан, Высокая, Магнитная и др. Агрономы повсеместно находят железо в почвах. Биохимики раскрывают огромную роль железа в жизни растений, животных и человека.

Входя в состав гемоглобина, железо обусловливает красный цвет этого вещества, от которого, в свою очередь, зависит цвет крови. В организме взрослого человека содержится 3 г железа, из них 75 % входят в состав гемоглобина, благодаря которому осуществляется важнейший биологический процесс - дыхание. В организмах животных и человека железо распространено "повсеместно": даже в тканях глазного хрусталика и роговицы, совершенно лишенных кровеносных сосудов, содержится железо. Наиболее богаты железом печень и селезенка.

Существует много живых организмов без гемоглобина, однако и в них содержится железо. Оно входит в состав протоплазмы, в которой при участии железа осуществляется необходимый процесс внутриклеточного дыхания.

Железо необходимо и для растений. Оно участвует в окислительных процессах протоплазмы, при дыхании растений и в построении хлорофилла, хотя само и не входит в его состав. Растения, искусственно лишенные железа, имеют бесцветные листья, при добавлении незначительного количества железной соли к воде, питающей растения, листья вскоре становятся зелеными. Больше того, достаточно бесцветный лист смазать очень слабым раствором железной соли, как смазанное место вскоре зазеленеет. Издавна железо применяется в медицине при лечении малокровия, при истощении, упадке сил.

Знакомство человека с железом произошло в давние времена. Есть основания полагать, что образцы железа, которые держали в руках первобытные люди, были неземного происхождения. Входя в состав некоторых метеоритов - вечных странников океана Вселенной, случайно нашедших приют на нашей планете, - метеоритное железо было тем материалом, из которого человек изготовил впервые железные изделия. Прошли многие сотни и тысячи лет, прежде чем человек научился добывать железо из руды. С того момента началась эпоха железа, которая длится и до настоящего времени.

В метеоритах железо не является абсолютно чистым. В большинстве случаев в них содержатся никель, кобальт и некоторые другие элементы. В среднем железные метеориты содержат в себе 90 % железа, 8,5 % никеля, 0,5 % кобальта и 1 % других элементов. Метеоритное железо, в отличие от земного, хорошо куется только в холодном состоянии. Метеоритное железо отличается от чистого земного, весьма редко встречающегося в некоторых базальтовых породах, внутренним строением. При действии кислоты на полированную поверхность железного метеорита появляется характерный узор, несколько напоминающий ледяной рисунок на оконных стеклах.

Самым крупным из железных метеоритов, падения которого в историческое время не наблюдали, является найденный в 1920 г. в Юго-Западной Африке метеорит "Гоба" весом около 60 т. Несколько меньший по весу железный метеорит был обнаружен в 1896 г. во льдах Гренландии известным американским полярным путешественником Робертом Пири. Этот метеорит весил 33 т. С величайшим трудом он был доставлен в Нью-Йорк, где и хранится до сих пор.

Ежегодно на поверхность Земли из глубины мирового пространства выпадает до 3000 т метеоритного вещества, железо которого пополняет Землю этим элементом. Так, например, в 1891 г. в Аризонской пустыне была обнаружена огромная воронка неизвестного происхождения. Поперечник ее был равен 1200 м, глубина - около 175 м. Изучение воронки показало, что она образована исполинским железным метеоритом, когда-то упавшим здесь. Любитель астрономии, инженер по профессии Баррингер с большим трудом сумел организовать акционерное общество по использованию железного метеорита для промышленных целей. Американские бизнесмены были соблазнены жаждой наживы: был пущен слух, что в осколках Аризонского метеорита обнаружена платина. Однако основная масса метеорита лежала глубоко под землей. Алмазный бур, дойдя до основной массы метеорита, лежащей на глубине 420 м, сломался, и промышленники, не найдя в образцах пробуренной породы платины, прекратили работы. Аризонский метеорит, по расчетам ученых, весил несколько десятков тысяч тонн. Он упал в доисторическое время.

30 июня 1908 г. упал знаменитый Тунгусский метеорит, огромную работу по отысканию которого провел неутомимый путешественник, ученый и герой Великой Отечественной войны Л.А. Кулик. По размерам разрушений, которые произвел этот метеорит при падении в тайге, известный советский астроном И.А. Астапович рассчитал его массу. Она оказалась колоссальной. Метеорит весил 50000 тонн.

В годы двух последних мировых войн, во время некоторых сражений железо расходовалось в огромных количествах. Во время первой мировой войны одна только Германия выбрасывала в снарядах, торпедах, бомбах, минах, гранатах до 10 млн. т металла в год. Это в два с половиной раза превосходило годовую выплавку чугуна царской России. Сотни тысяч тонн железа, добытых из недр земли и превращенных в артиллерийские снаряды, были рассеяны смертоносными осколками на полях войны. О величине этого "посева" могут дать представление следующие количества снарядов, выброшенных в течение войны основными воюющими государствами: Россия - 50 млн., Англия - 170 млн., Германия - 272 млн., Франция - 200 млн. (по двум калибрам - 76 и 150 мм).

В ходе войны были дни, и даже часы, в течение которых выбрасывались сотни тысяч и даже миллионы снарядов. Так, например, англичане за 4 дня боев при Аррасе израсходовали в 1917 г. 10 млн. снарядов. Один миллион снарядов выбросили американцы в сражении при Сан-Мишель за 4 часа. Только под стенами французской крепости Верден было распылено в железный прах не менее 3 млн. т железа.

Не менее расточительна была трата железа и во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. Чтобы судить о масштабах расхода железа в сражениях минувшей войны, достаточно указать одну цифру - миллион бомб, сброшенных фашистской авиацией во время битвы на Волге.

Но железо - не только борьба, война, разрушения; железо - металл созидания. Железо - основа всей металлургии, машиностроения, железнодорожного транспорта, судостроения, грандиозных инженерных сооружений - от башни Эйфеля до ажура железнодорожных мостов.

Все, все - начиная от швейной иглы, гвоздя, топора и кончая паутиной железных дорог, плавающими крепостями - авианосцами и линкорами - и огнедышащими домнами, где рождается само железо,- состоит из железа.

Химически чистое железо по внешнему виду очень похожий на платину металл. Оно устойчиво против коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные примеси лишают железо этих драгоценных свойств, и на земном шаре ежегодно теряется такое количество железа, которое равняется почти четверти его годовой добычи. Плотность железа 7,87. При температуре 2740 °С железо кипит. Чистое железо легко намагничивается и размагничивается.

Технически чистое железо нашло применение в качестве материала для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов; карбонильное железо используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты, как катализатор, антианемическое средство и т.д.; губчатое железо идет на выплавку высококачественной стали; железный порошок применяют при сварке, а также при цементации меди; искусственные радиоизотопы железо-55 с Т_1/2 = 2,6 часа и железо-59 с Т_1/2 = 45,6 дня являются изотопными индикаторами.

Железо относится к основным биогенным элементам, входит в состав 70 ферментов. Чрезвычайно велика роль данного элемента для любых организмов - он образует: ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные процессы; комплексы, являющиеся переносчиками электронов; металлопротеины, которые служат переносчиками кислорода. Железо принимает участие в процессах фотосинтеза и дыхания растений – в ферредоксинах, белках хлоропластов, содержащих кубические кластеры, железо из-за легкости перехода Fe²⁺ в Fe³⁺, служит электрическим «мостом», через который электрон переходит от возбужденного светом хлорофилла к окислителям; железо также содержится в цитохромах – универсальных для любых живых клеток ферментах, которые предназначены для синтеза АТФ и содержат гемм (комплекс, имеющийся в гемоглобине). Так, железо в порфириновом кольце гемма переходит из двухзарядного иона в трехзарядное и обратно, и тем самым происходит перенос электрона. Как известно, гемоглобин, как и некоторые другие железосодержащие ферменты, является переносчиком молекулярного кислорода.

У взрослого человека в крови содержится в среднем 2,6 г железа. В организме постоянно происходит распад и синтез гемоглобина. Поэтому для восстановления баланса железа необходимо ежесуточное поступление в организм человека около 25 мг данного элемента.

 Недостаток железа в организме приводит к анемии, малокровии; у растений развивается сильный хлороз, особенно у молодых листьев – данное заболевание проявляется в пожелтении листьев из-за их неспособности синтезировать хлорофилл; недостаток железа в растениях также вызывает разрушение биологически активного вещества ауксина, необходимого при корнеобразовании и для общего развития.

Общая потребность растений в железе довольно низкая и они его извлекают из почвы, где оно содержится в достаточных количествах как в степени +2, так и +3. Поэтому обычно железо не вносится в почву с удобрениями.

Вместе с тем избыток железа в организме вреден – появляется сидероз глаз и легких – заболевание, провоцируемое отложениями соединений данного элемента в тканях этих органов.

Кобальт (Cobaltum) Co – химический элемент с порядковым номером 27 и атомной массой 58,9332 а.е.м.; природный кобальт состоит из двух изотопов: кобальта-59 (99,83 %) и кобальта-57 (0,17 %). Степень окисления +2 и +3, редко +1, +4 и +5.

Название "кобальт" употреблялось с конца XV в. Оно произошло от слова "коболт", что значит горный дух. Мифологическое название металла можно объяснить следующим образом. В природе кобальт встречается в мышьяковистых рудах, из которых нельзя получить его в чистом виде путем обжига, т.к. при обжиге этих соединений металл превращается в оксид. Так как средневековые рудокопы считали руду, не дающую при обжигании металла, изделием горного духа - коболта (англо-саксонская мифология), то это дало основание для одноименного названия и самого металла.

Металлический кобальт впервые получил шведский ученый Г. Брандт в 1735 году; название кобальта происходит от названия мифических средневековых рудокопов и металлургов.

Кобальт достаточно редкий элемент - содержание кобальта в земной коре 4×10^-3 % (мас.), а в воде океанов – 5×10^-3 мг/л. Известно более 30 кобальтсодержащих минералов, главными из которых являются: каролит CuCo₂S₄, линнеит Co₃S₄, кобальтии CoAsS, скуттерудит CoAs₃, шмальтин CoAs₂, асболан Co₃O₄×mMnO₂×nH₂O, эритрин Co₃(AsO₄)₂×8H₂O, сферокобальтит CoCO₃.

Кобальт представляет собой серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом с температурой плавления 1494 °С. В чистом виде кобальт представляет тягучий, ковкий, внешне похожий на железо металл, более устойчивый к действию воды, воздуха и кислот, чем железо.

Кобальт играет важную роль в биологических процессах. Отсутствие кобальта в пище некоторых животных ведет к серьезным расстройствам их жизнедеятельности.

Кобальт входит в состав витамина В12, в котором содержится 4,5 % данного элемента. Это единственный витамин, в состав которого входит металл. Биологическая роль этого витамина очень велика. При отсутствии в организме витамина В12 развивается злокачественное малокровие. Витамин В12 потребляется и микробами, в том числе теми, которые живут в кишечнике человека. Однако у здоровых людей желудочный сок содержит особое вещество (белок апоэритеин), которое, соединяясь с витамином В12, образует новое вещество (эритеин), не воспринимаемое микробами. В некоторых случаях нарушения работа желудка апоэритеин исчезает из желудочного сока, и поступающий с пищей витамин В12 поглощаясь микробами кишечника, в организм человека не поступает, что и ведет к заболеванию злокачественным малокровием.

В настоящее время витамин В12 применяют не только для лечения злокачественного малокровия, а также ряда других заболеваний (астмы, невралгии, сухотки спинного мозга и др.).

В последнее время изотоп кобальта (кобальт с атомным весом 60) используется в медицине как заменитель радия. Облучая в ядерном реакторе металлический кобальт нейтронами, получают радиоактивный кобальт с активностью, соответствующей активности сотен и тысяч граммов радия (на всей Земле добыто не более 1000 г радия). Опыт применения радиоактивного кобальта показал, что его свойства более подходящий для лечебных целей, чем свойства радия. Он дает более однородное по своей энергии γ-излучение, а β-лучи кобальта легче поглощаются, чем у радия. Поэтому при лечении кобальтом достигаются лучшие результаты, чем при лечении радием. Распадается радиоактивный кобальт сравнительно медленно: только через 5 лет и 109 с половиной суток его активность снижается наполовину.

Интересно использование кобальта-60, проводившееся в США в борьбе с насекомыми, и в частности с мухами, путем наводнения естественной популяции мух стерильными мухами мужского пола, производящихся с помощью радиоактивного кобальта на специальной фабрике мух.

Сущность такого оригинального способа борьбы с мухами же заключается в следующем. На фабрике мух, представляющей собой большое двухэтажное здание, три миллиона обычных мух откладывают личинки, образующиеся из них куколки выдерживаются в соответствующих условиях до их созревания.

Между прочим, в этот период, а он длится до пяти с половиной суток, потребляется значительное количество продуктов. Так, например, ежедневно требуется 6 т мяса, 5 т воды, 2,5 т говяжьей крови, 2,5 л меда, 30 л плазмы.

За два дня до образования взрослых мух личинки подвергаются облучению кобальтом-60, который применяется в виде полосок размером 32,5×5×0,3 см, покрытых нержавеющей сталью в специальных облучателях. Всего таких облучателей 6, облучение куколок длится 12-14 мин. Появившиеся мухи мужского пола становятся стерильными. Ежедневно производится 10 млн. мух, с самолетов они разбрасываются в необходимых районах из расчета 100-800 мух на квадратный километр. После спаривания стерильных самцов с самками естественной популяции мух яйца, отложенные последними, не развиваются и естественная популяция мух, не пополняясь, быстро сходит на нет.

Главное применение кобальта (~ 65 %) – это как компонент сплавов; многие соединения кобальта обладают каталитической способностью (на это уходит ~10 % всего добываемого металла), окрашивающей способностью (пигменты – ~ 10 % Со); соединения кобальта также являются компонентами стекол и керамики, микроудобрениями, подкормкой для животных. Кобальт является составной частью витамина В₁₂; радиоизотоп кобальт-60 с Т_1/2 = 5,27 года служит источником γ-излучения.

Помимо сплавов для выработки магнитопроводов, сердечников, постоянных магнитов, применяющихся в медицине, с помощью добавок кобальта получают жароупорные, кислотоустойчивые, химически инертные, сверхпрочные и другие замечательные сплавы. Так, например, сплав "стеллит", содержащий 35 % кобальта, столько же хрома, 15 % вольфрама, 13 % железа и 2 % углерода, имеющий большую твердость, применяется для изготовления наконечников резцов, сверл, долот и т.п. Сверхтвердые сплавы ("победит" и др.), содержащие от 78 до 88 % вольфрама, 5-6 % углерода и от 6 до 15 % кобальта, представляют собой сцементированные кобальтом карбиды вольфрама, которые сохраняют свою твердость даже при температурах в 1000 °С.

При высоких температурах не только инструментальная быстрорежущая сталь, но даже и "стеллит" заметно уменьшают свою твердость. Сверхтвердые сплавы допускают огромные скорости обработки металла, невозможные для сплавов, не содержащих кобальта. Так называемой ковар, имея одинаковый со стеклом коэффициент расширения, обладает высокой устойчивостью к ртутным парам. Эти свойства дают возможность впаивать "ковар" в стекло, что весьма важно для изготовления электрорадиоаппаратуры и новых источников света.

Кобальт относится к микробиогенным элементам: он участвует в образовании каталитически активных центров многих биокатализаторов, которые необходимы для синтеза ДНК, а также для метаболизма аминокислот; несколько комплексов данного элемента с белками участвует в транспорте молекулярного кислорода; кобальт является непременной составной частью витамина В₁₂, который принимает непосредственное участие в синтезе гемоглобина и в других обменных процессах; он является необходимым элементом азотфиксирующих микроорганизмов почвы.

Недостаток кобальта вызывает у животных заболевание сухотка (акобальтоз), а у человека пернициозную анемию, а также нехватку «сырья» для синтеза витамина В₁₂, что приводит к злокачественному малокровию.

В связи с тем, что почвы обычно бедны кобальтом, в нее вносят такие его соединения, как семиводный сульфат двухвалентного кобальта, получивший название красный купорос, и шестиводный хлорид двухвалентного кобальта. Эти соединения могут быть микродобавками к обычным макроудобрениям.

Кобальт в пылевидном состоянии токсичен; предельно допустимая концентрация вещества в таком состоянии составляет 0,5 мг/м³, в сточных водах ПДК равна 1 мг/л, а в питьевой воде – 0,01 мг/л.

Никель (Niccolum) Ni – химический элемент ПСЭ с порядковым номером 28 и атомной массой 58,69 а.е.м. Природный никель состоит из 5 изотопов: никель-58 (67,88 %), никель-60 (26,23 %), никель-61 (1,19 %), никель-62 (3,66 %), никель-64 (1,04 %). Степени окисления элемента +2 и редко +1, +3, +4.

Сплав никеля с медью и цинком применяли еще в Древнем Китае. Впервые никель обнаружен в составе минерала «купферникеля» (арсенида никеля) в 1751 году шведским химиком и минералогом А. Кронстедтом. От данного минерала происходит название элемента; существует также версия происхождения названия – от немецкого “Nickel” – имени горного духа, по поверью, вводившего в заблуждение горняков. Слово "никель" также означает "ложная медь" (из-за сходства некоторых природных соединений никеля с медными рудами). В 1775 году Т. Бергман подробно изучил характеристики никеля.

В свободном состоянии никель встречается в метеоритах. Однако чаще никель находится в метеоритах в сплаве с железом, где количество никеля может достигать от 5 до 60 %.

 Содержание никеля в земной коре составляет 8×10^-3 % по массе, в воде океанов – 0,002 мг/л. Чаще всего он в природе встречается в соединениях с мышьяком и серой. Известно около 50 минералов никеля, из которых важнейшими являются никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (Ni, Fe)₉S₈, герсфордит (никелевый блеск) NiAsS, гарниерит (Ni, Mg)₃Si₄O₁₀(OH)₁₀× 4H₂O, ревдинскит (непуит) (Ni,Mg)₃Si₂O₅ (OH)₄, аннабергит Ni₃(AsO₄)₂×8H₂O.

По физическим свойствам никель представляет собой металл серебристо-белого цвета с температурой плавления 1455 °С и температурой кипения 2900 °С.

На Земле никель почти всегда встречается совместно с кобальтом и главным образом в виде смеси соединений никеля с кобальтом и мышьяком (купферникель), с мышьяком и серой (никелевый блеск), с железом, медью и серой (пентландит) и другими элементами. Наиболее крупные месторождения никеля находятся в Канаде и в Новой Каледонии, а также на Урале, в Красноярском крае и на Кольском полуострове.

Несмотря на то, что уральские месторождения были известны еще задолго до революции, в царской России не было никелевого производства. Никель ввозился из-за границы. Первый никелевый завод в СССР вступил в строй в 1934 г.

Получение чистого никеля из природных руд представляет большие трудности, так как приходится отделять никель от почти всегда сопутствующего ему кобальта. Никель и кобальт обладают многими общими свойствами. Так, плотность никеля (8,9) одинакова с плотностью кобальта, атомный вес всего на 0,25 меньше, температура плавления никеля на 40° ниже температуры плавления кобальта, теплопроводность никеля почти равна теплопроводности кобальта. Как и кобальт, никель притягивается магнитом.

Никель применяется для защиты металлов от окисления. Для этой цели электролитическим путем он наносится на поверхность защищаемого металла в виде тонкой пленки (никелирование). Такие никелированные предметы, как чайники, самовары, поручни и ручки в трамваях, автобусах, метро, известны каждому. Однако основное использование никеля - это получение различных сплавов, обладающих разнообразными и очень ценными свойствами.

Один из сплавов никеля в Европе в XIX в. получил название нового серебра (нейзильбер). Этот сплав никеля с медью и цинком, который действительно похож по ряду свойств на серебро, применяется при изготовлении столовой посуды (чайники, самовары, вилки, ложки), а также для выработки деталей машин (краны, вентили и др.) и их отделки. Другой сплав никеля с медью и цинком называется никелином. Он обладает большим электрическим сопротивлением и используется для изготовления реостатов, эталонных сопротивлений и т.д.

Сплав никеля, хрома, железа и марганца (нихром) с большим электрическим сопротивлением при высокой жароупорности применяется для изготовления спиралей различных электронагревательных приборов (плитки, утюги, кипятильники и т.д.).

Сплав никеля с железом, марганцем и углеродом - инвар (неизменяемый), отличаясь очень малым температурным коэффициентом расширения (в 10 раз меньше, чем у железа), употребляется для изготовления точных измерительных приборов (маятников, мер длины и др.).

Сплав, содержащий 68 % никеля,28 % меди, 2,5 % железа и 1,5 % марганца (монельметалл), обладает большой химической устойчивостью и применяется при изготовлении различной аппаратуры и частей ее для химических заводов.

Сплав платинит, в состав которого входит никель и углерод, имеет такой же коэффициент теплового расширения, как и стекло. Поэтому из нее изготовляют различные предметы, вплавляя металл в массу стекла (шприцы, электролампы, химическую аппаратуру и т.п.).

Никель в сочетаниях с другими металлами дает стали с различными свойствами. Одни из сталей обладают необычайной прочностью, другие - вязкостью, третьи - устойчивостью к химическим реагентам и т.д.

Не менее широкое применение в технике находят сплавы "альни", "альнико" и др., обладающие магнитными свойствами.

Сталь, в состав которой входит 9 % никеля и 18 % хрома, отличается высокой антикоррозионной стойкостью и называется нержавеющей, находит широкое применение для изготовления хирургических инструментов, предметов домашнего обихода и т.п. Нержавеющая сталь применяется в оформлении станций московского метрополитена. Нержавеющая сталь была впервые использована для сооружения монументальной скульптуры (25 м высотой) "Рабочий и колхозница" венчавшей Советский павильон на Всемирной выставке в Париже (1937), а позже установленной в Москве при въезде на ВДНХ.

В некоторых государствах сплав никеля (25 %) с медью (75 %) используется для изготовления разменной мелкой монеты.

В мелко раздробленном состоянии никель обладает высокой каталитической активностью. В чистом виде никель употребляется для изготовления лабораторной химической посуды (тигли, шпатели и др.).

Чаще всего никель используют в качестве компонента легированных сталей, жаростойких, сверхтвердых, магнитных, коррозионно-стойких и других сплавов; сплавы никеля, меди и цинка идут на изготовление монет; широко распространены щелочные кадмиево-никелевые и железоникелевые аккумуляторы. В химической промышленности много никеля расходуется, т.к. он прекрасный катализатор. В авиационной и космической технике широко используются сплавы на основе никеля. Более 80 % всего получаемого никеля идет на металлургический процесс выплавки стали, в результате чего последняя становится более химически стойким материалом с улучшенными механическими свойствами

Для млекопитающих (в том числе и человека) и растений никель необходим в микроколичествах: он стимулирует синтез аминокислот в клетке, ускоряет регенерацию белков плазмы крови, нормализует содержание гемоглобина у больных. В организме взрослого человека содержится 5–13 мг никеля. Никель обладает общетоксическим действием. Его избыток весьма опасен для организма, но по сравнению с другими тяжелыми металлами он менее токсичен. Установлено, что соединения никеля могут вызвать такие заболевания, как повышенная хрупкость костей, раковые опухоли, заболевание носоглотки, легких, дерматиты, экземы. Соединения никеля также поражают нервную систему, кишечник, почки. Катионы двухвалентного никеля при его избытке в организме могут замещать другие катионы в активных центрах ферментов. Они также образуют прочные связи с серосодержащими донорными группировками ферментов, вытесняя слабее связанные катионы. Результатом таких «действий» катиона никеля является ингибирование ферментов.

В атмосфере воздуха ПДК (среднесуточная) для металлического никеля, его оксидов и сульфата составляет 0,001 мг/м³, для растворимых солей в виде гидроаэрозоля – 0,0002 мг/м³, в воздухе рабочей зоны ПДК 0,005 мг/м³. Для металлического никеля предельно допустимая концентрация в воде 0,1 мг/л, в почве 3,0 мг/кг.

Обычно содержание никеля в почвах недостаточно, в связи с чем приходится вносить в нее никелевые микроудобрения.

Элементы второй и третьей триад восьмой группы ПСЭ получили общее название платиновых металлов, а вместе с золотом и серебром – благородных металлов.

Вторая триада элементов побочной подгруппы восьмой группы образована металлами четного (верхнего) ряда пятого периода:

Рутений (Ruthenium) Ru - химический элемент ПСЭ и расположен в ней под №44, имеет Ar = 101,07 а.е.м.

В природе рутений образует 7 стабильных изотопов: ⁹⁶Ru (5,7 %), ⁹⁸Ru (2,2 %), ⁹⁹Ru (12,8 %), ¹⁰⁰Ru (12,7 %), ¹⁰¹Ru (17 %), ¹⁰²Ru (31,3 %), ¹⁰³Ru (18,3 %). Чаще всего проявляет степени окисления +3, +4, +6, +8.

Рутений является редким рассеянным элементом, содержание в земной коре составляет 5×10^-7 % по массе, относится к платиновым металлам. Собственные минералы лаурит (RuS₂), рутенарсенид (RuAs) очень редки. Рутений встречается с другими платиновыми металлами в рутениевом невянските (Ir, Os, Ru), рутениевом сысертските (Os, Ir, Ru), самородной платине, осрутине (Os, Ru) и других.

История открытия этого элемента началась в России, когда в 20-х годах XIX столетия на Урале были обнаружены месторождения платины. Весть об этом открытии быстро облетела мир и вызвала много тревог и волнений на международном рынке. Среди иностранных спекулянтов ходили слухи о чудовищных самородках, о платиновом песке, который платиноискатели черпают прямо лопатами. Месторождения платины, действительно, оказались богатыми, и граф Канкрин, бывший в то время министром финансов России, дал распоряжение о чеканке платиновых монет. Монеты стали чеканить достоинством в 3,6 и 12 рублей. Было выпущено 1400000 платиновых монет, на которые израсходовали более 20 т самородной платины.

В чистом виде рутений находит применение в изготовлении термопар, а также как катализатор при синтезе аммиака. В сплавах рутений используется в ювелирном деле, некоторые соли находят применение в лабораторной технике при изготовлении микроскопических препаратов.

По внешнему виду рутений - металл, похожий на железо, твердый, тугоплавкий, с трудом растворяющийся в царской водке, обладает сильными каталитическими свойствами. Рутений представляет собой блестящий серебристый металл с температурой плавления 2334 °С.

Рутений используется в качестве легирующей добавки к сплавам, в результате чего последние становятся значительно более прочными, твердыми, термически и коррозионно-стойкими; рутений один из компонентов сплавов с платиной и родием, с иридием, осмием и вольфрамом, с иридием, с платиной и палладием; рутений и его палладиевые сплавы, нанесенные в виде черней на носители, являются катализаторами гидрирования и дегидрирования органических соединений; рутений также применяют для нанесения защитных покрытий на электрические контакты. Радиоактивные рутений-103 (Т_1/2 = 39,8 дня) и рутений-106 (Т_1/2 = 1 часу) являются изотопными индикаторами.

Летучие и растворимые соединения рутения вызывают аллергию, раздражают слизистые оболочки, могут вызывать их изъязвление. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны для оксида четырехвалентного рутения равна 1 мг/м³.

Родий (Rodium) Rh – химический элемент ПСЭ Д.И. Менделеева с атомным номером 45 и атомной массой 102,9055 а.е.м. В природе встречается один стабильный изотоп родий-103. Степени окисления 0, +1, +2, +3 (наиболее устойчивая), +4, +5, +6.

В начале XIX в. (1804) английский химик и физик У. Волластон открыл родий, который занимался тщательным анализом платиновых руд, и его труд был вознагражден сразу двойной удачей. В платине он обнаружил два неизвестных металла. Один из них за розовый цвет растворов своих солей был назван родием (по-гречески "родон" - розовый). Родий постоянно сопутствует платине, изредка встречается в самородном состоянии в золотоносных песках. Платина относится к числу малораспространенных элементов, а родия в природе в 2,5 раза меньше платины. Если учесть, что отделение родия от платины и других ее спутников представляет значительные технологические трудности, то станет понятным и редкость, и высокая стоимость родия.

Родий - металл исключительно стойкий к действию многих веществ. Он не растворяется не только в обычных кислотах, но и в царской водке. Температура плавления родия - около двух тысяч градусов (1966 °С). В жидком состоянии родий растворяет до семи процентов углерода, а при охлаждении выделяет растворенный углерод в виде графита. Если бы родий был более доступным металлом, его можно было бы применять для получения чистейшего графита, столь необходимого во многих отраслях современной техники. Родий обеззараживает воду. Такая бактерицидная способность родия весьма ценна для очищения воды от болезнетворных микроорганизмов. Возможно, что в недалеком будущем родий получит применение в лечебных целях.

Все спутники платины известны как хорошие катализаторы, особенно в состоянии большого измельчания, как говорят химики, в виде "черни".

Большинство металлов в компактном состоянии обладает специфическим, так называемым металлическим блеском и "белым", "светлым" цветом. Исключение составляют медь, золото и немногие другие цветные металлы, у которых сохраняется свой характерный для них цвет и при измельчении. Однако тонкие порошки других металлов имеют серый цвет, а тончайший порошок - черный или почти черный. Отсюда и химическое, а затем и техническое название - "чернь".

Родиевая "чернь" растворима в кислотах, в то время как родий в слитке, как уже указывалось, нерастворим даже в царской водке. Каталитическая активность родиевой "черни" настолько велика, что винный спирт быстро переходит в ее присутствии в уксусную кислоту. К тону же родиевый катализатор стоек против ядов, отравляющих катализаторы.

В чистом виде родий применяется для изготовления точнейших пирометров, деталей измерительных астрономических приборов, а также для зеркал и рефлекторов осветительных установок.

Уступая серебру в отражательной способности, в отличие от него родий не тускнеет с течением времени. Содержание родия в земной коре составляет 1×10^-7 % (мас.).

Основные области применения родия – это производство сплавов на основе платины с содержанием родия в количестве 7, 10, 30 % (и более) для стеклоплавильных аппаратов; изготовление тиглей в производстве оптического стекла и монокристаллов; нанесение защитных покрытий на электрические контакты; нанесение зеркальных покрытий в производстве рефлекторов, прожекторов, технических зеркал, прецизионных измерительных приборов; получение сплавов с платиной и другими платиновыми металлами – катализаторы в производстве азотной кислоты, а также для дожигания выхлопных газов автомобилей; изготовление термопар для измерения температур до 1570 К (Pt-Rh), до 2570 К (Ir-Rh); изготовление катализатора реакций гидроформилирования, гидрирования олефинов и ацетиленов и другие цели. Родий также используется, правда ограниченно, в ювелирном деле.

Палладий (Palladium) Pd - химический элемент ПСЭ с порядковым номером 46 и атомной массой 106,42 а.е.м. Природный палладий образован смесью шести стабильных изотопов: палладий-102 (1 %), палладий-104 (11,14 %), палладий-105 (22,33 %), палладий-106 (27,33 %), палладий-108 (26,46 %), палладий-110 (11,72 %). Из искусственных радиоизотопов наиболее долгоживущим является палладий-107 (Т_1/2 = 7×10⁶ лет). Палладий проявляет степени окисления 0, +1, +2 (чаще), +3, +4 (часто), +5, +6 (очень редко).

В 1902 г. немецкий астроном Г. Ольберс, обнаруживший на основе вычислений немецкого математика К. Гаусса потерянную вскоре же после открытия первую малую планету Цереру, открыл вторую малую планету солнечной системы, которая была названа Палладой.

Год спустя В. Волластон нашел еще одного представителя семейства платиновых металлов и назвал его по имени недавно обнаруженной планеты палладием.

Незначительные примеси палладия встречаются в платиновых рудах и в золотоносных песках, т.е. разрушенных горных породах. Значительно реже палладий находится в виде естественных сплавов с платиной, иногда с золотом или серебром. Во многих отношениях палладий сходен с металлами платиновой группы, но есть и некоторые существенные отличия. Эти отличия состоят прежде всего в том, что палладий является самым легкоплавким и легким из них: температура плавления его немного превышает 1550 °С, а плотность равна 12. Впрочем, эта оговорка может показаться и не совсем удачной: ведь у многих металлов температура плавления значительно ниже. Например, железо плавится при температуре на полтора десятка градусов ниже палладия и в полтора раза легче его.

Палладий относится к одним из наиболее редких элементов и его средняя концентрация в земной коре 1×10^-6 % по массе; в природе он встречается в самородном виде, в виде сплавов и соединений; к настоящему времени известно ~ 30 палладийсодержащих минералов, например, такие как аллопалладий (содержит примеси ртути, платины, рутения, меди), палладистая платина (7–39 % Pd), палладит PdO, станнопалладинит Pd₃Sn₂, стибиопалладинит Pd₃Sb (содержит примеси, используют в качестве катализаторов дожигания выхлопных газов автомобилей; в стекольной промышленности PtAs₂), брэггит (Pd, Pt, Ni)S.

По своим физическим свойствам палладий представляет собой серебристо-белый металл с температурой плавления 1554 °С.

Если в стеклянной колбе смешать два объема водорода и один объем кислорода, то при комнатной температуре такая смесь может сохраняться очень долго. Нагревание смеси до 400 °С приводит к тому, что водород и кислород полностью соединяются и образуют воду. Если же в смесь этих двух газов внести палладий, то уже при комнатной температуре из газов быстро образуется вода. Палладии является энергичным катализатором многих химических реакций. Как и другие катализаторы-металлы, палладий проявляет особенно сильно каталитические свойства в виде черни. Каталитические свойства палладия, очевидно, связаны с его исключительной способностью поглощать некоторые газы и особенно водород.

Один кубический сантиметр палладия поглощает более семисот кубических сантиметров водорода, При этом прочный металл увеличивается в объеме, вспучивается и даже дает трещины. Нечто подобное можно наблюдать при набухании резины в бензине и маслах. Известно, что если закрыть склянку с бензином резиновой пробкой, ее потом нельзя вытащить: она разбухает от поглощения бензина.

С поглощением или растворением водорода в палладии связано и другое удивительное свойство этого металла: способность пропускать сквозь себя водород. Через перегородку толщиной в один миллиметр и площадью в один квадратный сантиметр проходит более сорока кубических сантиметров водорода в минуту при температуре 240 °С. При более высокой температуре просачивание водорода увеличивается. Таким образом, наши обычные представления о металле как о прочной преграде для газов не всегда оказываются верными.

Химическая стойкость палладия меньше, чем у других платиновых металлов, но зато большая доступность палладия дает и более широкие возможности для его применения, чего нельзя сказать об остальных спутниках платины.

В сплаве с серебром, а иногда и в чистом виде, палладий применяется в зубоврачебной технике, в сплавах с золотом - в часовом деле. Благодаря своей высокой стойкости и красоте палладий применяется в ювелирном деле для покрытия других металлов и для отделки предметов роскоши, в частности оправ драгоценных самоцветов.

Одним из сильных ядов является монооксид углерода, которую в быту обычно называют угарным газом. Это коварный яд. Не имея ни цвета, ни запаха, ни вкуса, он трудноопределим, особенно при малом, но уже опасном для жизни, содержании в воздухе.

Образуется угарный газ сравнительно легко, при работе двигателей внутреннего сгорания, при преждевременном закрывании печей, при получении генераторного газа и в целом ряде химических производств. ПДК угарного газа в воздухе промышленных предприятий считается 0,02 мг в литре. Вдыхание воздуха, содержащего 5-7 мг угарного газа в литре, влечет смерть через 5-10 минут.

Очень удобны для установления присутствия этого газа в воздухе соединения палладия. Фильтровальная бумажка, смоченная раствором хлористого палладия, быстро чернеет и тем указывает на грозящую опасность. Такой безотказный сигнализатор приносит большую пользу в тех областях техники и производства, где приходится соприкасаться с угарным газом. Чувствительность реакции очень высока. При концентрации угарного газа 9 мг в литре воздуха бумажка чернеет моментально, при 0,02 мг - почернение наступает через минуту.

По объему годового потребления среди металлов платиновой группы палладий занимает ведущее место. Главными отраслями, где используют палладий, являются медицина и стоматология (25–40 % от всего ежегодного потребления), электротехника и электроника (30–40 %), химическая промышленность (10–15 %), автомобилестроение (5–15 %), ювелирная (2–5 %), стекольная промышленность и т.д.; из палладия и его сплавов изготавливают медицинские инструменты, детали кардиостимуляторов, зубные протезы, оправки, некоторые лекарственные препараты; в электронике используют, например, палладиевые пасты для производства больших интегральных схем.

В электротехнике нашли применение электрические контакты из палладия - для этих целей выпускают пружинящие контакты из Pd с добавками хрома и циркония, а также сплавы палладий-серебро и палладий-медь; способность палладия растворять водород используют для тонкой очистки последнего, каталитического гидрирования и дегидрирования и т.д. (для этих целей обычно используют сплавы палладия с серебром, родием и другими металлами, а также палладиевую чернь); сплав палладия с платиной промышленности сплавы палладия применяют в тиглях для варки стекла, в фильерах для получения искусственного шелка и вискозной нити.

Третья триада элементов побочной подгруппы восьмой группы составляют металлы четного (верхнего) ряда шестого периода:

Осмий (Osmium) Os - химический элемент ПСЭ с порядковым номером 76 и атомной массой 190,2 а.е.м.; осмий в природе встречается как смесь семи стабильных изотопов: осмий-184 (0,018 %), осмий-186 (1,59 %), осмий-187 (1,64 %), осмий-188 (13,3 %), осмий-189 (16,1 %), осмий-190 (26,4 %), осмий-192 (41,1 %). Степени окисления элемента +4, +6, +8 (наиболее характерны), +1, +3, +5.

Осмий был открыт в 1804 году С. Теннантом; содержание в земной коре данного элемента составляет 5×10^-6 % (мас.) - относится к редким и рассеянным элементам. Основными минералами осмия являются: природные сплавы осмия и иридия (осмистый иридий) невьянскит и сысертскит; соединения осмия с серой и мышьяком - эрлихманит, осмиевый лаурит, осарситт; осмий также в виде изоморфной примеси входит в состав халькопирита, пирротина, пентландита, кубанита, магнетита.

Осмий представляет собой блестящий серебристо-голубоватый твердый металл с температурой плавления 3027 °С.

Необходимой твердостью обладает не всякий металл и не всякий сплав. Особенно пригоден для этой цели сплав осмия с иридием.

Замечательной особенностью осмия является его вес. Осмий - самый тяжелый металл на Земле. Плотность Os составляет 22,6, т.е. он в два раза тяжелее свинца и почти в три раза тяжелее железа.

Чистый осмий - тугоплавкий, твердый, но хрупкий металл. Хрупкость осмия так велика, что его можно истолочь в порошок в железной ступке, причем порошок имеет сине-черный цвет, а не серовато-светлый, как у большинства металлов. Необычные свойства порошка осмия состоят также в том, что на воздухе он, хотя и медленно, но уже при обычной температуре соединяется с кислородом, причем один атом осмия присоединяет четыре атома кислорода, т.е. осмий проявляет самую высокую валентность, равную восьми, образуя четырехокись осмия.

Оксид восьмивалентного осмия плавится при 48 °C, а при 130 °С - кипит с образованием пара, сильно раздражающего слизистые оболочки. Пары четырехокиси осмия особенно опасные для глаз, могут вызвать слепоту. Они имеют специфический запах. Некоторые исследователи сравнивают его с запахом гнилой редьки.

За своеобразный запах четырехокиси элемент и получил свое название "осмий" от греческого слова "осмэ", что значит "запах", "пахнущий". Интересна замечательная особенность четырехокиси осмия - большая растворимость в органических жидкостях по сравнению с водой. В стакане воды растворяется всего только 14 г четырехокиси осмия при комнатной температуре; в стакане четыреххлористого углерода при тех же условиях - более 700 г.

Хотя осмий был открыт в 1803 г., он до настоящего времени не получил достаточно широкого применения. Одно время его использовали для изготовления нитей в электролампах, в медицинской практике, при подготовке микроскопических препаратов, для микроскопических исследований в тканях жировых включений.

Жировые включения, реагируя с водным раствором четырехокиси осмия, приобретают хорошо видимую черную окраску.

Осмий используют для получения сверхтвердых и износостойких сплавов с иридием - из них готовят опорные штифты, вращающиеся оси точных приборов, малые прецизионные контакты и т.п.; с иридием и рутением (шарики перьев авторучек), с вольфрамом и молибденом (катоды термоионных диодов), с палладием (электрические контакты).

Иридий (Iridium) Ir – химический элемент ПСЭ с порядковым номером 77 и атомной массой 192,22 а.е.м. Природный иридий образован двумя стабильными изотопами: иридий-193 (62,7 %) и иридий-191 (37,3 %). Степени окисления +3, +4 (наиболее характерны), +1, +2, +5, +6.

Иридий был открыт С. Теннантом в 1804 году; его содержание в земной коре 1×10^-7 % по массе; минералами, содержащими иридий и осмий в различных соотношениях являются: невьянскит, сысертскит, ауросмирид; иридий встречается в рассеянной форме в различных минералах сульфидных медно-никелевых железосодержащих руд.

Иридий представляет собой серебристо-белый металл с температурой пл. 2447 °С.

Иридий почти такой же тяжеловес, как и осмий, плотность иридия - 22,5. Ряд химических свойств сближает иридий с рутением, палладием, осмием и особенно родием. Есть, однако, и некоторые особенности, одна из них сыграла роль в выборе названия элемента при его открытии: соединения иридия имеют яркие и пестрые окраски. За эти окрашенные соединения и получил свое название открытый английским химиком Теннантом новый элемент иридий ("ирис" означает "радуга", "радужный").

В научно-исследовательских и производственных лабораториях очень важное значение приобрели измерения высоких температур. Существуют различные приборы и методы измерения температуры. Об одном из таких приборов, который связан с применением иридия, нам и хочется рассказать.

Если две проволочки из разных металлов спаять на водородном пламени и нагреть место спая, то в цепи появится электрический ток. Подобная система из разнородных проводников называется термопарой (от греческого "терме" - теплота и "пара" - вместе, рядом). При данной паре металлов, из которых сделаны проволоки, электродвижущая сила будет тем больше, чем выше температура спая. Подобрав вещества с известной температурой плавления, можно составить систему зависимости между измеряемой температурой и возникающей электродвижущей силой. В сочетании с гальванометром, включенным в цепь, термопара называется термоэлектрическим пирометром (греческое "пир" - огонь, "метрео" - мерю). Понятно, что термопарой из меди и железа нельзя измерять температуры выше точки плавления наиболее легкоплавкого металла, которым в данном случае является медь. А какую же термопару взять, если температура измеряемого объекта больше температуры плавления меди? Чаще всего применяют платину (точнее сплав платины с родием), сплавы иридия с рутением, а также с родием. Возникает вопрос: а почему не взять просто платину и, например, родий. Почему берут вторую проволочку не из чистого металла, а из сплавов? У иридия важная характеристика - он чрезвычайно твердый, но хрупкий. Сплав иридия с платиной обладает средними свойствами: достаточно твердый и нехрупкий; тонкая проволочка из сплава не ломается. Примесь иридия к платине очень сильно увеличивает химическую стойкость ее и, что особенно важно, уменьшая тепловое расширение, сообщает сплаву довольно высокую температуру плавления. Это позволяет применять подобного рода термопары для измерения таких температур, при которых другие приборы менее надежны. С помощью иридия можно точно измерять не только высокие температуры, но и различные расстояния - от самых малых, микроскопических, до самых больших, астрономических.

С помощью иридия устанавливается тождество между принятыми международными мерами длины. В самом деле, линейка, изготовленная во Владивостоке, должна иметь деления такой же длины, как и ее двойник в Риге, Одессе или в любом другом пункте, иначе будет много неприятностей: скажем, изготовят деталь для машины, пользуясь одной линейкой, отправят в другой город и окажется, что у детали не такие размеры, как показывает вторая линейка, с помощью которой были даны размеры для изготовления детали. Деления на линейках должны иметь строго одинаковую величину, должны быть изготовлены по одному образцу. Такой единый образец должен существовать не для одного города или государства, а для всех государств и городов нашей планеты. Это т.н. эталон метра, хранящийся в Париже. Длина эталона приблизительно равна одной сорокамиллионной части длины парижского меридиана - линейная единица, введенная во Франции 31 июля 1793 г. Первичный эталон был изготовлен в 1799 г. с пророческой надписью: "Для всех времен, для всех народов". Метр действительно стал самой распространенной на земном шаре мерой длины. Каждое государство по эталону метра готовит свои эталоны, и время от времени сверяет их с парижским эталоном.

С 1 января 1963 г. в СССР введена, как предпочтительная, Международная система единиц (СИ), принятая во всем мире по решениям Десятой и Одиннадцатой Генеральных конференций по мерам и весам. В этой системе за единицу длины принят метр, величина которого равна 1650763,73 длин волн, излучаемых атомом криптона-86 в вакууме.

Иридий ценен только в чистом виде или в сплавах с другими металлами. Соли его, как ни красивы их растворы в воде и других жидкостях, практического значения почти не имеют.

Острия опор для стрелок контрольных компасов, некоторые ответственные инструменты также иногда делают из сплава иридия с платиной. Сплавы иридия с осмием, отличающиеся большой твердостью и нестираемостью при трении, употребляются для выделки осей точнейших часовых механизмов и приборов.

Следует отметить, что минералы, содержащие наибольшие количества иридия, были открыты на Урале и по местам их первого местонахождения носят соответствующие названия: сысерскит - от Сысертского завода, невьянскит - от Невьянска.

Чистый иридий идет на изготовление тиглей для выращивания монокристаллов (лазерные материалы, полудрагоценные камни и др.), а также фольгу для неамальгамирующихся катодов; иридий также используют для иридирования поверхностей изделий; сплавы иридия с вольфрамом и торием служат материалами термоэлектрическими генераторами, с гафнием – материалами для топливных баков в космических аппаратах, с родием, рением, вольфрамом – материалами для термопар, эксплуатируемых выше 2000 °С, с лантаном и церием – материалами термоэмиссионных катодов. Радиоизотоп иридий-192 используют в качестве портативного источника γ-излучения для радиографического исследования трубопроводов, а также для радиотерапии злокачественных опухолей.

Платина (Platinum) Pt - химический элемент ПСЭ с порядковым номером 78 и атомной массой 195,08 а.е.м.; природная платина состоит из четырех стабильных изотопов: платина-194 (32,9 %), платина-195 (33,8 %), платина-196 (25,2 %), платина-198 (7,2 %), а также из двух радиоизотопов - платины-190 (0,013 % с Т_1/2 = 6,9×10¹¹ лет) и платины-192 (0,78 % с Т_1/2 = 10¹⁵ лет). Степени окисления 0, +2, +3, +4, редко +5, +6.

Платина относится к наиболее редким элементам, а его средняя концентрация в земной коре составляет 5×10^-7 % по массе. Она встречается в природе, как в самородном виде, так и в виде сплавов и соединений. К наиболее важным минералам платины относятся: самородная платина, поликсен (содержит 6–10 % железа), палладистая платина (60–90 % платины 7–39 % палладия), ферроплатина (12–20 % железа), иридистая платина (55–60 % платины до 30 % иридия), сперрилит PtAs₂, куперит PtS, брэггит (Pt, Pd, Ni)S.

Платина представляет собой серовато-белый блестящий пластичный металл с температурой плавления 1769 °С.

Бедность платиновых руд, отсутствие крупных месторождений и отсюда очень высокая стоимость металла в значительной степени ограничивают практическое применение платины. Платина весьма редко встречается в виде самородков. Крупнейший из них весит 9,6 кг.

По внешнему виду платина не представляет собой чего-либо выдающегося или бросающегося в глаза. Это белый с серым матовом отливом, тягучий (приближается к золоту) со значительной плотностью (21,5) и высокой температурой плавления металл. Исключительная химическая стойкость платины при самых высоких температурах позволяет назвать ее металлом химической лаборатории. Несмотря на то, что платина была известна еще в первой половине XVIII столетия (описана Р. Ватсоном в 1750 г.), а смутные упоминания о ней относятся к XVI столетию, практическое применение в технике платина впервые нашла лишь в 1809 г. при изготовлении реторт для хранения концентрированной серной кислоты. Первые месторождения самородной платины были обнаружены в Америке, где в XVII столетии испанские завоеватели во главе с Ф. Кортесом, разорив государство ацтеков, нашли на берегах реки Платино-дел-Пино (в Колумбии) новый металл. Название металла - "платина" произошло от испанского слова "плата" - серебро и означает "серебрецо". В самородном виде платина, помимо Америки (Бразилия, Колумбия), находится в Южно-Африканском Союзе. У нас на Урале коренные месторождения платины были обнаружены в 1892 г. А.А. Иностранцевым. Россыпные месторождения были найдены раньше, в 1819 г., но знаменитый Александр Гумбольдт, посетивший в 1829 г. месторождения платины, по поводу ее использования в своем отчете не написал, ни одного слова.

Свойства платины впервые были описаны профессором Харьковского университета Ф. Гизе. Подробное изучение платины и способов ее получения из природной "сырой платины" было проведено русским химиком, вице-президентом Горной коллегии в Петербурге, почетным членом русской и многих иностранных Академий наук Мусиным-Пушкиным.

Высокая химическая стойкость платины обеспечила ей широкое применение для изготовления химической посуды (тигли, чашки, наконечники щипцов, насадки на горелки, электроды для анализа) и аппаратуры для химической промышленности.

Известны платиновые зеркала, их получают путем нанесения тончайшего слоя платины на стеклянную поверхность. Платиновые зеркала устойчивы, не тускнеют, дают чистое изображение, а главное обладают замечательной особенностью - односторонней прозрачностью. Сущность явления состоит в том, что со стороны источника света зеркало непрозрачно и отражает находящиеся перед ним предметы, в то время как с теневой стороны оно прозрачно и через зеркало можно все видеть так же хорошо, как через чистое стекло. Благодаря этой особенности платиновые зеркала получили в одно время широкое распространение в США. Их вставляли вместо стекол в окна нижних этажей контор, машинописных бюро и других учреждений, а также и жилых помещений, вместо занавесей и экранов.

Есть у платины и еще одно ценное свойство: она хорошо впаивается в стекло, что важно при изготовлении стеклянных приборов.

Принцип действия таких термометров сопротивления основан на способности платины изменять (увеличивать) электрическое сопротивление в строгой зависимости от повышения температуры. Если платиновую проволочку подключить к прибору, регистрирующему изменение сопротивления, то изменение температуры будет точно фиксироваться этим прибором. Шкалу прибора градуируют в градусах.

Платина - любимый металл ювелиров. В ювелирном искусстве платина играет роль отделочного материала по золоту. Из платины сделано рельефное изображение В.И. Ленина, помещенное в середине знака ордена Ленина - высшего ордена СССР. Первым орденом Ленина была награждена газета "Комсомольская правда".

Рыхлая, губчатая платина поглощает большое количество газов. Этим замечательным свойством объясняется удивительный факт: газ, заключенный в платиновый сосуд, при нагревании вытекает из герметически закрытого сосуда. Подобно тому, как вода проходит через частое сито, молекулы газа водорода или кислорода проходят через платиновые перегородки.

Мы перечислили многие интересные и ценные свойства платины, не касаясь самого важного: платина - один из самых активных катализаторов для различных химических процессов. Одним из важнейших каталитических процессов является окисление аммиака для получения азотной кислоты. Тончайшая сетка (до 5000 отверстий на квадратный сантиметр), сплетенная из платиновых проволочек, подобная тонкой ткани и столь же мягкая, как легкий шелк, составляет главную и ответственейшую часть аппарата для окисления аммиака. Смесь аммиака с воздухом с быстротой урагана продувается через эту сетку, превращаясь в оксиды азота и водяные пары. При растворении оксидов азота в воде образуется азотная кислота.

Пионер отечественной азотнокислотной промышленности И.И. Андреев, проведя большую научно - исследовательскую работу по изучению влияния различных катализаторов на окисление аммиака, обратил внимание на платину, введя ее в практику заводского получения азотной кислоты.

Различные химические соединения, в состав которых входит платина, значительного применения пока не имеют. (Некоторые используются в аналитической химии для количественного определения калия). Однако исследования этих соединений внесли большой вклад в теорию химии. Соединения платины наиболее полно изучены русскими учеными Л.А. Чугаевым, И.И. Черняевым, О.Е. Звягинцевым.

Существующее представление о том, что платина не взаимодействует с кислородом воздуха, как показали исследования, не соответствует действительности. Так при комнатной температуре на платине образуется тончайшая пленка (около 30 ангстрем), которая улетучивается при небольшом нагревании в вакууме.

Основными областями применения платины, ее сплавов и соединений являются автомобилестроение (30–65 %), электротехника и электроника (7–13 %), нефтехимия и органический синтез (7–12 %), стекольная и керамическая промышленность (3–17 %), производство ювелирных изделий (2–35 %); сплав платины с палладием служит катализатором дожигания выхлопных газов автомобилей, особенно в последние годы, когда требования к охране окружающей среде ужесточились; в стекольной промышленности платина с добавками родия и иридия является основным конструкционным материалом стекловаренных печей для производства оптического стекла; сплавы платины с родием и золотом идут на изготовление фильер для получения стекловолокна, а также футеровки для печей краски для керамики и стекла; платина также используется в качестве материала высокотемпературных термопар и термометров сопротивления, электродов при электролизе для изготовления лабораторной посуды и оборудования, в зубоврачебном деле (платиновая фольга идет на изготовление фарфоровых коронок, крампонов фарфоровых зубов). Платинохлористоводородная кислота применяется в химическом анализе для открытия калия; бариевая соль тетрацианоплатиновой кислоты обнаруживает яркую флуоресценцию при воздействии на нее УФ- и рентгеновских лучей и поэтому служит в рентгеноскопии покрывным материалом светящихся экранов.

Интересно отметить, что в переводе с испанского «платина» означает «серебришко», а названия «родий», «иридий» и «осмий» означают (с греческого) соответственно «роза», «радужный» и «запах». Название же элементу палладию дано в честь астероида Паллады.

Четвертая триада побочной подгруппы восьмой группы ПСЭ образованы искусственными радиоактивными элементами седьмого периода: гассием, мейтнерием и 110 элементом, который пока не имеет названия.

Гассий (Hassium) Hs - химический элемент ПСЭ с порядковым номером 108, символ и название которого происходит от слова Hesse, области в Германии, где был открыт этот элемент. Элемент 108-й был синтезирован в ГСИ (Дармштадт, Гессен, Германия) в 1984 году, и лишь недавно усилиями ученых из Швейцарии, Германии, России, США и Китая было проведено его первое химическое исследование. Зарегистрировано шесть цепочек распада гассия (хассия), две из которых принадлежат вновь открытому в этом эксперименте ²⁷⁰Hs. Найдено, что Hs, как и его ближайшие гомологи Ru и Os, образует с кислородом очень летучее соединение. Тем самым он доказывает свою принадлежность к восьмой группе Периодической системы Менделеева, и, имея порядковый номер 108, хассий является пока самым тяжелым элементом, исследованным химическими методами.

Существующие лишь несколько секунд, атомы Hs были получены в реакции слияния ²⁴⁸Cm с бомбардирующими частицами ²⁶Mg на ускорителе UNILAC в Дармштадте. Небольшое сечение образования требовало высокоинтенсивного пучка ²⁶Mg. Для решения этой задачи в ГСИ была реализована новая технология облучения - вакуум ускорителя и рабочий газовый объем мишенной камеры разделяли вращающиеся вакуумное окно и мишень.

Мейтнерий  (Meitnerium) Mt - химический элемент ПСЭ с порядковым номером 109. Символ и название элемента - в честь австрийского физика и радиохимика, ученицы Марии Кюри Лизы Мейтнер.

В заключение необходимо отметить, что работы по открытию новых элементов Периодической системы Менделеева продолжаются, но их практическое применение на сегодняшний день представить невозможно. Причина этому следующее обстоятельство: тяжелые искусственные элементы быстро «гибнут» из-за того, что ядра их атомов оказываются неустойчивыми. Например, элемент №102 (нобелий) живет секунды, а время жизни элемента №110 (оставлен без названия) составляет лишь 1/10000 долю секунды.

Знаменитый датский физик – один из основоположников квантовой теории – Нильс Бор в свое время полагал, что пределом для ядерных синтезов будет элемент с номером 104. Однако вскоре физики-теоретики международного научного центра в подмосковной Дубне пришли к парадоксальному выводу: время жизни очень тяжелых элементов (тяжелее 114-го) может составлять уже не секунды, а годы, миллионы, а то и миллиарды лет. Все крупные теоретические школы мира стали интенсивно разрабатывать этот совершенно нетривиальный гипотетический прогноз. Наряду с этим многие хорошо оснащенные научные центры США, Германии, Франции, Англии, Японии начали ставить эксперименты в надежде получить сверхтяжелые элементы. Более 35 лет продолжались работы по проверке выдвинутой гипотезы, строились все более мощные гигантские установки, но ничего не получалось.

В Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) в 1999 году решили вновь вернуться к этой проблеме и поставить эксперимент в 1000 раз более чувствительный, чем проведенные до них в других странах. Для этого пришлось создать уникальный ускоритель с высокоинтенсивным источником, разработанным во Франции, а также воспользоваться применявшимся в Германии специальным способом детектирования частиц. Американские коллеги предоставили весь свой запас плутония с массовым числом 244, наработанный ими с помощью подземных ядерных взрывов. Такого вещества в Дубне не было, а требовалось именно оно, чтобы осуществить задуманный эксперимент. Бомбардирующие ионы были получены из очень редкого изотопа – ⁴⁸Са, который в обычном кальции содержится в исключительно малых количествах. Трехмесячная непрерывная работа привела к ожидаемому событию: при слиянии 94-го элемента (Рu-244) с 20-м (Са-48) получился 114-й элемент, претерпевший радиоактивный до 112-го элемента. Последующий распад привел к элементам №110 и №108 (хассий). Таким образом было синтезировано целое радиоактивное семейство, состоящее из четырех долгоживущих элементов. Когда же вместо американского плутония был использован элемент №96 (кюрий), образовалось новое радиоактивное семейство, состоящее из пяти долгоживущих элементов: №№116, 114, 112, 110, 108.

Полученные в Дубне устойчивые элементы №114 и №116 «живут» настолько долго, что первооткрыватели собираются изучать их химические свойства, а затем искать их в земной коре, где они в принципе могут существовать, но о чем раньше никто не догадывался. Непреходящее значение дубнинского открытия заключается также в том, что обнаружен «остров стабильности», свидетельствующий о возможности существования атомов с намного большим числом нейтронов и протонов, чем думалось до сих пор. Это открытие заставило физиков - теоретиков задуматься над вопросом: а где же конец устойчивости элементов? Еще совсем недавно велась речь о 100 протонах, а сегодня уже обсуждается число 1000. Значит, есть некоторое основание полагать, что возможно существование веществ с необычными для нас свойствами.

Каковы будут имена новых элементов – №114 и №116? Вопрос этот непростой. Вспомним, что элементы №№110–112 пока оставлены без названий, а со многими из тяжелых элементов №104–109 приключились занимательные истории, замешенные на политике и научных амбициях.

ХИМИЧЕСКАЯ ЭКСПЕРТИЗА ЭЛЕМЕНТОВ

Введение. К особенностям химико-токсикологического анализа (ХТА) относятся: 1) Чрезвычайное многообразие и разнохарактерность объектов исследования: это биологические жидкости (кровь, моча), рвотные массы, внутренние органы трупов людей, волосы, ногти, остатки пищевых продуктов и напитков, лекарственных средств, пестициды, препараты бытовой химии, посуда, предметы домашнего обихода, одежда, вода, земля и т.д.; 2) Необходимость изолирования (извлечения) малых количеств (от мкг до мг искомых химических веществ из сравнительно большого количества объекта исследования составляет вторую и главную специфическую особенность ХТА. От методов изолирования нередко зависит дальнейший ход химического анализа и даже его результаты; 3) В подавляющем большинстве случаев химику-токсикологу приходится работать со следовыми количествами химического вещества, как правило, не химически чистого, а находящегося в смеси с сопутствующими (соэкстрактивными, балластными) веществами, извлекающимися при изолировании, и оказывающими часто негативное влияние на результаты анализа. Приходится удалять эти балластные вещества введением дополнительных методов очистки; 4) Установление присутствия ядовитого вещества в организме и возможность суждения о его количестве требует соответствующих, иногда особых, но всегда максимально чувствительных и специфичных методов анализа; 5) Своего рода особенностью является необходимость правильной оценки результатов анализа - экспертное заключение. Эксперт имеет возможность говорить лишь об обнаружении или необнаружении искомого вещества, т.к., исходя из природы химического вещества, учета чувствительности применяемых методов, отрицательный результат исследования не всегда свидетельствует об отсутствии ядовитого вещества (следы его могут оставаться в объекте, но не обнаруживаться). И наоборот, некоторые из веществ, на которые токсикология называет как на ядовитые, являются естественными составными частями организма (катионы Си, As, Hg, Zn, Pb и др.). Они могут быть обнаружены и определены в процессе анализа, однако не являться причиной отравления. Присутствие ядовитого вещества, не всегда является доказательством его введения в организм с целью отравления, т.к. многие из них, например, барбитураты, алкалоиды и другие азотсодержащие вещества основного характера, являются лекарственными. В этих случаях обязательна количественная оценка; 6) Трудности обнаружения и определения ядовитого вещества, особенно в органах трупа, обусловлены также поведением химического вещества в организме и трупе. Введенное в организм токсическое вещество распределяется по жидкостям и тканям чаще всего неравномерно. Многие вещества, особенно органической природы, подвергаются далее, главным образом, в печени, различным процессам биотрансформации (метаболизма) по пути гидролиза, окисления, восстановления, синтеза с биохимическими компонентами организма (конъюгация с глюкуроновой, серной кислотами), направленным, в основном, на обезвреживание вещества. Протекают процессы элиминирования (выделения) токсического вещества и его метаболитов почками с мочой и др. В зависимости от глубины биотрансформации большая или меньшая часть вещества остается неизмененной или метаболизируется в зависимости от интенсивности и скорости элиминирования большая или меньшая часть вещества ускользает от исследователя. Эти факторы оказывают значительное влияние на результаты анализа.

 

---

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 133; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!