іридій: факти і фактики

Чому його так назвали? Солі іридію відрізняються різноманіттям своїх кольорів, наприклад IrСl — мідно-червоний, IrСl2 — темно-зелений, IrСl3 — оливково-зелений, IrСl4 — коричневий, IrF2 — жовтий, Ir2O3 і ІгВг — сині. Від цього-то він і отримав свою назву, що походить від імені грецької богині веселки — Іріди. Відкрили ж іридій на початку XIX століття, коли хіміки зайнялися питанням: чиста речовина самородна платина?Отримати відповідь на це питання нелегко, оскільки платина — благородний метал і дуже погано взаємодіє з хімічними речовинами.У 1803 році англійський хімік Вільям Волластон розчинив платину в царській горілці і виділив з отриманого розчину два платиноида — паладій і родій. А рік потому його співвітчизник Смітсон Теннант з залишився при такому розчиненні твердої речовини виділив ще два платиноида — осмій і іридій.

Чому еталони ваги і довжини були зроблені зі сплаву платини з добавкою іридію? Іридій — один з найбільш хімічно стійких елементів: він не розчиняється навіть у царській горілці, і тільки розплавлена луг або перекис натрію здатні його розплавити. Найлегше утворюється трьоххлористий іридій: для цього порошок металу треба продувати нагрітим до 600оС хлором. Щоб отримати оксид, потрібно робити те ж саме киснем, але вже нагрітим до 1000°С. Добавка 10% іридію до платини надає сплаву надзвичайну хімічну стійкість і міцність, тому з нього і були зроблені еталони метра і кілограма. Нині перший вже відслужив своє і замінений довжиною хвилі випромінювання криптону, а другого заміну фізики поки не знайшли, хоча і шукають. Серед інших предметів, витіснених з ужитку науково-технічним прогресом, — пір’яні ручки з пером із сплаву платини з іридієм: таке перо довго не зношувалося.

Скільки іридію на нашій планеті? Це один з рідкісних металів, його вміст в земній корі точно не визначено, а оцінено десятимільйонну частку відсотка. Влітку 2012 року унція іридію коштувала 1085 доларів США, або в півтора рази менше, ніж золото. З часу минулого звернення журналу до цього елемента в 1973 році іридій сильно подешевшав — тоді він був у п’ять разів дорожче золота. Світове виробництво сильно залежить від попиту і може за лічені роки коливатися від 1 до 6 з гаком тонн. Як отримують іридій?Цей метал і його мінерали супроводжують платині, тому його отримують при поділі платиноїдів, а основи відповідного процесу заклав член-кореспондент Імператорської академії наук Карл Карлович Клаус в середині XIX століття. Саме він вказував, що іридій та інші цінні метали можна видобувати з відходів виробництва платини. Скористатися його порадою в Росії не вдалося: у 1862 році більше 10 тонн таких відходів Санкт-Петербурзького монетного двору були продані англійцям. У наступні півстоліття ніхто так і не зібрався організувати правильне використання таких відходів;російські вчені та інженери купували платиноїди за кордоном.Практично відразу після революції, в травні 1918 року, був створений Інститут з вивчення платини та інших благородних металів (нині ИОНХ їм. Н.С.Курнакова РАН), і незабаром налагоджено вітчизняне виробництво платиноїдів. Крім переробки платини, їх джерелом служать сульфідні мідно-нікелеві руди, з яких витягують всю суміш благородних металів в якості побічного продукту виробництва міді або нікелю.

Звідки взявся іридій на поверхні планети? Вважається, що при утворенні планет відбувається так звана стратифікація: важкі елементи зосереджуються в ядрі, а легкі — в корі. Тому на поверхні планет земного типу платиноїдів бути не повинно, проте вони є. Є підозра, що це — результат наступної астероїдного бомбардування. Дійсно, якщо склад астероїдів відповідає вихідного речовині протопланетной туманності, вони повинні бути збагачені важкими металами порівняно з корою планет.Збагачення виявиться ще сильніше, якщо припустити, що деякі астероїди, особливо металеві, являють собою уламки ядра гіпотетичної загиблої планети — Фаетона. Розрахунок показує, що всі платиноїди на поверхню Землю могли принести 160 металевих астероїдів діаметром 20 км. Платиноїди могли б потрапити на поверхню і в результаті вивержень, але поки що мало хто знає їх точний зміст у магмі, щоб розібратися з цією гіпотезою. Ще одне джерело — космічна пил, хоча єдності думок про її обсягах немає.За результатами супутникових вимірювань, на планету щодня падає 200-300 тонн пилу, і ці дані підтверджуються динамікою накопичення іридію і платини в полярних льодовиках. Метеорологічні дані дають лише 5 тонн пилу на день.

іридій: факти і фактики

Що таке іридієва аномалія? При падінні і подальшому вибуху астероїда важкі елементи повинні рівним шаром випасти на поверхні планети. Так іридій зі своєї крайньої хімічною інертністю став серйозним індикатором древніх космічних катастроф — збагачені їм шари дають дати таких подій. Найбільш помітна іридієва аномалія присутній повсюдно на кордоні відкладів крейдяного і третинного періодів.Разом з іншими свідченнями ця аномалія дозволила багатьом дослідникам припустити, що причиною різкої зміни біосфери в цей момент, і насамперед загибелі динозаврів, послужило саме падіння астероїда. З цією гіпотезою згодні далеко не все, тим більше що існує проблема останніх трьох мільйонів років: саме стільки відділяє датування найсвіжіших масових поховань динозаврів від часу зміни періодів — пізніше такі знахідки вкрай рідкісні. У будь-якому випадку кожен, хто будує історію планети, повинен пояснювати іридієвий аномалію.До речі, під час самої свіжої й широко обговорюваної в науковому співтоваристві гіпотетичної катастрофи космічного походження — похолодання пізнього дриаса приблизно 11 тисяч років тому — іридієвою аномалії виявлено не було. Втім, причиною цього похолодання вважають зіткнення не з астероїдом, а з кометами, в яких іридію за визначенням бути не повинно.

Навіщо іридій потрібен людям? З цього металу в чистому вигляді роблять тиглі для вирощування якісних монокристалів для лазерів: завдяки високій хімічній інертності і жаростійкості такий тигель не реагує з поміщеним в нього вмістом. Втім, виготовлення електричних контактів із сплаву платини з іридієм до недавнього часу залишалося основним застосуванням цього металу, тому коливання попиту в електронній промисловості сильно впливають на його виробництво.Дуже цікавий напрям використання іридієвих електродів виникло порівняно недавно — для електростимуляції нервів. При такій операції в мозок організму електрод вводять і з його допомогою вирішують якусь проблему. Наприклад, електричний сигнал, що подається в певну область мозку пацієнта з хворобою Паркінсона на частоті 25-100 Гц, істотно зменшує тремтіння кінцівок. Схожим способом лікарі намагаються лікувати епілепсію, хронічний біль та шизофренію. Інше використання імплантуються в мозок мікроскопічних електродів — створення протезів очі і слухового апарату.У всіх цих випадках крім хімічної інертності електрод повинен передавати велику кількість електрики. Гнучкий полімерний електрод діаметром у кілька десятків мікрон і з мікронним покриттям з оксиду іридію виявляється незрівнянно краще для цієї мети, ніж сталевий або платиновий.

Як його застосовують в сучасній хімії?
іридій: факти і фактикиПодібно всім платиноидам, іридій — чудовий каталізатор, але через рідкісність цього металу і високої ціни його застосування обмежене. Однак якщо судити з наукових публікацій останніх п’ятнадцяти років, для іридієвих каталізаторів знайдена унікальна і надзвичайно важлива область використання. Мова йде про синтез складних органічних сполук з простих, таких, як нижчі олефіни, з утворенням нових С-С зв’язків, конструюванням складних вуглецевих скелетів і широкими можливостями введення різноманітних функціональних груп.Єдиним додатковим реагентом в цих процесах виступає водень, і при цьому не утворюється ніяких побічних продуктів — блискучий зразок «зеленої хімії». Вважається, що такі процеси можуть бути затребувані, якщо відмовитися від викопного сировини для органічного синтезу і перейти на сировину відновлювальна, отримане з нині живучих рослин. Зараз важко уявити собі органічний синтез без металлокомплексних паладієвих каталізаторів, не випадково ці роботи були відзначені в 2010 році Нобелівською премією по хімії.Цілком можливо, що в майбутньому на зміну їм прийдуть каталізатори на основі комплексів іридію. Інший напрямок пов’язаний зі створенням систем штучного фотосинтезу, які повинні забезпечити людині пряме перетворення сонячного світла в паливо або якісь інші корисні органічні сполуки. Головним його етапом служить окислення води, тобто перетворення двох молекул H20 в кисень, чотири іона водню і чотири електрона, які згодом можна витратити на відновлення вуглекислого газу або ще як-небудь.В якості окислювача води був знайдений чотирьохвалентний церій, наприклад, у складі нітрату амонію, а от хороший, стабільний після розчинення у воді каталізатор знайти довго не вдавалося. Виявилося, що з цією роботою справляється комплекс на основі хлориду іридію: протягом тижня він безперешкодно руйнував теологічне ядро воду, роблячи безліч кисневих бульбашок. Втім, це не єдиний підхід до вирішення задачі штучного фотосинтезу.

Яку роль зіграв іридій у відкритті методу месбауерівської спектроскопії? Саме на изотопах Ir-191 Рудольф Мессбауер в 1958 році і виявив ефект, який ліг в основу методу. Він вивчав особливості збудження ядер гамма-променями. В якості джерела були взяті збуджені атоми іридію, испускавшие гамма-кванти, а мішенню служив незбуджений зразок, що частина з них поглинав.Мессбауер вважав, що охолодження, знижує амплітуди коливань атомів, повинно призводити до зменшення поглинання гамма-квантів, адже чим менше коливання, тим менше ймовірність у атома опинитися на шляху кванта. А вийшло навпаки. Спроба пояснити аномалію і привела до відкриття явища резонансного поглинання гамма-променів. Завдяки йому хіміки і фізики отримали надзвичайно чутливий метод вивчення будови речовини.

Навіщо потрібен радіоактивний іридій? Ізотоп Ir-192, випускає гамма-промені, давно служить для радіотерапії насамперед раку грудей і передміхурової залози. Гамма-промені небезпечні, оскільки вони глибоко проникають в тіло людини, ушкоджуючи здорові тканини. Однак якщо злоякісні клітини виявляються розподіленими по всьому об’єму органу, для їх знищення, після вирізання основної пухлини, доводиться застосовувати своєрідне зброю масового ураження. Медик повинен вибрати, що призведе до менших побічних наслідків: опромінення або хіміотерапія.Найчастіше вибір виявляється в користь впровадження ампули з радіоактивним елементом. Іноді, на ранніх стадіях, обходяться без хірургічної операції, накладаючи радіоактивний препарат на поверхню органу. У цьому випадку потрібен саме джерело гамма-променів, оскільки бета — або альфа-промені в глиб органу проникнути не можуть. Період напіврозпаду іридію-192 — 72 дні.

іридій: факти і фактики

Як з іридію хочуть створити пам’ять? Пристрої флеш-пам’яті внесли чималий внесок в інформаційну революцію, забезпечивши кожного бажаючого компактним засобом зберігання текстів, фотографій або музики. Однак немає у світі досконалості: кожному хочеться мати флешку великого об’єму при збереженні її розміру. Цього вже починають заважати фізичні обмеження, зокрема розмір важливого елемента флеш-пам’яті — транзистора з плаваючим затвором, здатним зберігати поміщений у нього електричний заряд протягом десятиліть.Є думка, що зменшити його розмір можна, застосувавши плівку з кремнію, що містить металеві нанокристали. Відповідний метал повинен володіти двома якостями: добре утримувати свої електрони і володіти високою жаростійкістю, оскільки елементи пам’яті при виготовленні нагрівають до 900о С. Намітилися було претенденти — нікель і вольфрам — не змогли проявити необхідний комплекс властивостей. А ось іридій зумів.Оскільки витрата нанокристалів металу на одну мікросхему нікчемний, обчислюється квадрильонними частками міліграма, можливо, ця ідея зможе реалізуватися в нових пристроях. І тоді мало не в кожного в кишені буде лежати нехай незначний, але шматочок космічного металу — іридію.