4.Благородные металлы в истории денег и промышленности
Когда заходит речь о благородных металлах, большинству из нас приходят на ум серебро, золото и платина. Но кроме них существуют еще пять менее известных благородных металлов. Они носят общее название платиновых, т.к. вместе с платиной входят в восьмую группу периодической системы Д.И. Менделеева. Платиновые металлы - это рутений, родий, палладий, осмий и иридий.
Названием «благородные» все эти металлы обязаны своему «аристократическому характеру»: они гораздо реже, чем остальные металлы, вступают в химические реакции и образуют соединения с другими элементами. По этой причине (в том числе и серебро) встречаются в природе почти исключительно в самородном, т.е. более или менее чистом, виде. Однако это не означает, что благородные металлы в принципе не способны к химическим реакциям и , следовательно, абсолютно не поддаются коррозии. Например, серебро корродирует в газах, содержащих серу, и поверхность серебряных предметов покрывается коричневым или черным слоем сульфида серебра даже при ничтожном содержании в воздухе сернистых соединений. Золото тоже не так устойчиво, как обычно думают. Его сильно разъедают хлор и бром, а в смеси ( в пропорции 3:1) концентрированных соляной и азотной кислот ( так называемой царской водке) растворяются в золото, и платина. Если платиновые металлы нагревать в воздухе, они образуют летучие окислы. Тем не менее, они по праву носят название «благородных», так как остаются стойкими в очень жестких условиях. Наряду с великолепной коррозионной стойкостью эти металлы обладают и другими достоинствами, которые делают их незаменимыми для специальных технических целей; сюда, в частности, относятся непревзойденная электропроводность серебра, хорошие механические свойства платиновых сплавов, сохраняющиеся и при высоких температурах, а также специфические свойства, особенно ценные при изготовлении электрических контактов.
Наиболее часто встречается самый дешевый из благородных металлов - серебро. В чистом виде белый, очень пластичный металл. Грамм серебра можно вытянуть в проволоку длиной почти 2 км. Серебро плавится при температуре 960,5оС. Его легируют многими металлами - чаще всего медью и кадмием, а также оловом, ртуть, золотом, платиной и другими платиновыми металлами.
С тех пор как люди узнали серебро, они пользуются им как мерой стоимости. В Китае, Эфиопии, Афганистане, Иране и России вплоть до 1930-х гг. были в ходу серебряные деньги. В Древней Руси деньгами служили бруски из серебра. Если товар стоил дешевле целого бруска, последний рубили на куски, отсюда и пошло название денежной единицы - «рубль».Серебряные рубли являлись разменной монетой как в царской, так и в советской России.
Ежегодно в мире производится около 10000 т. серебра. В настоящее время его больше всего добывают в Мексике, США и Канаде.
Для технического применения некоторые свойства серебра имеют особое значение. Электрические контакты, срабатывающие бесчисленное количество раз, должны состоять из материала, который хорошо проводит ток и способен выдержать многочисленные включения-выключения. Помимо применения чистого серебра - его наносят на контактные поверхности гальваническим способом и плакированием - для таких контактов также используют сплавы серебра с кадмием и палладием, из которых изготавливают самые ответственные контакты. Широко применяют гальваническое серебрение столовых приборов. На рис. 2.24 приведена схема процесса серебрения латунной ложки. Под действием электрического тока ионы серебра движутся к обрабатываемому изделию, включенному как катод, и осаждаются на нем. При правильно выбранном режиме образуется плотный и прочно связанный с латунью слой серебра.
Не так давно были разработаны сплавы типа серебро-окись кадмия. Их получают из сплавов серебра с кадмием методом «внутреннего окисления» путем отжига в воздушной или в кислородной среде. При этом кислород проникает в глубь металла и там реагирует с более активным (по сравнению с серебром) кадмием. Образующиеся мельчайшие частицы окиси кадмия, равномерно распределенные в структуре металла, значительно повышают его прочность.
Серебро обладает еще одной замечательной особенностью - бактерицидным действием. Оно убивает болезнетворные и гнилостные бактерии. Поэтому вполне можно поверить древнему историку, писавшему, что во время похода Александра Македонского в Индию (IV в до н.э.) офицеры его армии меньше страдали от желудочно-кишечных заболеваний, чем рядовые воин. Они ели и пили то же самое, но из серебряной, а не из оловянной посуды. Серебро стерилизует воду, даже когда содержится в количестве миллиардных долей грамма на литр. По этой причине серебро довольно широко применяют для покрытия трубопроводов, арматуры и резервуаров в молочной, пивоваренной и других отраслях пищевой промышленности.
Серебро и его сплавы с их высокой коррозионной стойкостью используют для изготовления особенно ответственных специальных элементов в химической аппаратуре и оборудовании. Например, серебряные тигли пригодны для расплавления солей или щелочей, которые оказывают разрушающее воздействие на большинство других металлов. Превосходными качествами обладают и серебряные припои: они дают прочное паяное соединение, хорошо проводящее тепло и электрический ток.
Значение серебра в технике непрерывно растет. Можно полагать, что существующие ныне пропорции в потреблении серебра ( большая доля его идет на монеты и ювелирные изделия) в будущем значительно изменится в пользу технических применений.
Самый известный и прославленный из благородных металлов - золото. Никакой другой металл не стоил людям столько пота, слез и крови, как золото. Ради него обманывали и убивали, плели интриги и развязывали войны, жестоко угнетали и истребляли целые народы. Желтый металл привлекал человека на всех этапах истории , он и до сего времени не утратил своей притягательной товарной стоимости. Почему? Это не так легко объяснить. Пару столетий назад этот металл в технике был абсолютно бесполезен. Делать из золота оружие или инструмент не имеет смысла - оно слишком мягкое. Да и в наше время техническое применение золота ограничено немногочисленными и сугубо специальными случаями; например, его используют на Российских космических аппаратах как материал для уплотнений.
За долгую историю человечества добыто немногим более 50 000 т золота, и большая часть его благополучно хранится в сейфе. В России ежегодно добывается 120-180 т золота, в том числе около половины из россыпей. Из того золота, которое ежегодно добывают в современном мире, 50% идет на чеканку монет, 20% на ювелирные изделия, столько же потребляет стоматология, а на долю техники остается только 10%.
В одном золото абсолютно превосходит все другие металлы: оно, как ни один из них, поддается пластическому деформированию. Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 3 км, а золотую фольгу удается сделать такой тонкой, что она становится почти прозрачной на просвет и выглядит голубой или зеленоватой. Золото плавится при температуре 1063оС. Оно принадлежит к самым тяжелым металлам: 1 см3 золота имеет массу 19,32г. Важнейшими легирующими элементами в золотых сплавах служат медь и серебро, в качестве добавок применяют также никель и платиновые металлы.
В электротехнике чистое золото используют для покрытий контактов, а сплавы золота с никелем или серебром - как материал для самих контактов. Из сплава золота, содержащего до 50% платины ( иногда еще 0,5% родия), делают фильеры для производства химических волокон. Другие сплавы золота находят применение в лабораторной технике; например, для изготовления тиглей, кювет и катодных сеток вместо чистой платины используют сплав из серебра, золота и платины.
Значение золота и его сплавов в технике продолжает расти, однако титулом «царя металлов» оно пользуется не за какие-то особые выдающиеся технические качества. В первую очередь, это особое положение золота обусловлено его ролью в мировой валютной системе и ювелирном деле.
Платина встречается реже золота и в ниши дни ценится гораздо дороже его. Ежегодное производство платины в мире составляет 150 т (2009 г.). Но было время, когда платина стоила дешевле серебра. Когда испанские завоеватели начали в больших количествах привозить платину из Южной Америки, ювелиры стали использовать новый металл для подделки золота (1 см3 платины имеет массу 21,45г) - были такого же веса, как и настоящие золотые. Чтобы положить конец этому мошенничеству, чиновники испанского казначейства просто утопили в море весь запас платины, которую им удалось конфисковать. Через сотни лет платину снова начали использовать для монет, но теперь уже потому, что она существенно дороже золота. В России, которая до 1914г. давала 95% мирового производства платины, в период 1828-1845 гг. чеканили платиновые монеты - так называемые белые дукаты с номиналом три, шесть и двенадцать рублей. Трехрублевый платиновый дукат имел массу 10,35332 г.Сегодня Российская Федерация занимает ведущее место среди стран, добывающих платину. На ГМК «Норильский никель» в 2009 г. производство платины составило около 15 т.
Платина - серовато-белый блестящий, мягкий и хорошо деформируемый металл. Ее температура плавления (1773,3оС) более чем на 200оС выше, чем у железа. Химическая стойкость платины очень высока: кислоты на нее не действуют ( за исключением царской водки), с кислородом она не реагирует даже при нагреве .Поэтому платина служит материалом для лабораторной аппаратуры, работающей в самых тяжелых условиях. Из нее делают плавильные тигли для варки оптического стекла, требования к чистоте которого особенно высоки. Платиновые фильеры применяются в производстве стеклянного волокна. В электротехнике платина и ее сплавы также чрезвычайно ценятся как материалы, которые обеспечивают высокую надежность и точность срабатывания различных переключающих устройств.
Для легирования платины используют преимущественно ее «ближайших родственников» - платиновые металлы (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). Платинородиевые сплавы отличаются прочностью и стойкостью при высоких температурах, поэтому их используют в качестве термопар при плавлении тугоплавких металлов. Платиноиридиевые сплавы приняты в качестве материала для международных эталонов массы и длины, потому что обладают наиболее подходящими для этой цели химическими и физическими свойствами. Парижские первичные эталоны метра и килограмма, как и их копии, находящиеся в различных странах, состоят из сплава платины с 10% иридия. Из подобных сплавов, прочных и химически стойких, изготовляют также канюли и другие элементы медицинского инструментария.
Платиновые металлы редко применяются в чистом виде. Иридий по химической стойкости превосходит платину и при комнатной температуре слабо растворяется в царской водке. Из иридия изготовляют тигли для специальных целей, но этот металл очень тверд и с трудом поддается деформированию. Его плотность составляет 22,42 г/см3, по плотности он занимает второе место среди металлов.
Самый тяжелый металл - осмий; его плотность равна 22,48 г/см3, по твердости и прочности он подобен иридию. В природе существует сплав этих двух металлов, называемый «осмирид», из которого прежде делали наконечники дл перьев авторучек. Теперь для этой цели используют осмий-никель и осмий-вольфрам-кобальт.
Палладий служит главным образом как легирующий металл при получении серебряных, золотых и платиновых сплавов. В чистом виде он слишком активно насыщается газами; например, при комнатной температуре палладий способен поглощать водород в 800-кратном объеме.
Родий, как и палладий, служит преимущественно для легирования платиновых сплавов. Из родиевой ленты изготовляют электронагреватели с рабочей температурой до 1800оС.
Рутений также почти не применяется в чистом виде. В некоторых сплавах им иногда заменяют осмий.
Благородные металлы находят самые разнообразные применения в современной технике, но по сравнению с другими техническими металлами их количественная доля очень невелика, поскольку они слишком дороги.