Иридиум

Иридий — химический элемент 9-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы VIII группы) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 77. Обозначается символом Ir (лат. Iridium). Простое вещество иридий — это очень твёрдый, тугоплавкий, тяжёлый переходный металл серебристо-белого цвета, относящийся к платиновым металлам (платиноидам). Отличается исключительной коррозионной стойкостью и самой высокой плотностью среди всех известных металлов, уступая лишь осмию.

История открытия

Иридий был открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом в ходе изучения чёрного остатка, остающегося после растворения природной платины в царской водке. Теннант совместно с Уильямом Хайдом Волластоном исследовал этот нерастворимый осадок. В 1804 году Теннант объявил об открытии двух новых металлов — иридия и осмия. Название «иридий» происходит от греческого слова ἶρις (iris — «радуга»), что связано с разнообразием цветов его солей. Иридий был выделен в чистом виде и описан в 1804 году.

Физические свойства

Иридий — один из самых плотных металлов, его плотность составляет 22,56 г/см³ (для сравнения, плотность осмия — 22,59 г/см³, а платины — 21,45 г/см³). Это очень твёрдый и хрупкий металл, обладающий высокой твёрдостью по шкале Мооса (6,5). Температура плавления иридия — 2446 °C, температура кипения — около 4428 °C. Иридий обладает высокой механической прочностью и устойчивостью к деформации при высоких температурах. Модуль упругости иридия составляет 528 ГПа, что является одним из самых высоких значений среди металлов. Металл обладает парамагнитными свойствами.

Химические свойства

Иридий — один из самых химически инертных металлов. Он чрезвычайно устойчив к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных сред. При обычных условиях иридий не реагирует с большинством кислот, включая соляную, серную и азотную. Даже царская водка не действует на компактный иридий. Растворяется иридий только в концентрированной соляной кислоте при добавлении окислителей (например, хлора) или при электрохимическом растворении, а также в расплавах щелочей с окислителями.

При нагревании иридий реагирует с галогенами (особенно с фтором и хлором), серой, фосфором и кислородом. При высоких температурах (выше 1000 °C) иридий окисляется до диоксида иридия (IrO₂), который при дальнейшем нагревании разлагается. Для иридия характерны степени окисления +3, +4, +6, реже +1, +2 и +5. Соли иридия часто имеют яркую окраску: от жёлтой и красной до синей и фиолетовой.

Изотопы

В природе иридий встречается в виде смеси двух стабильных изотопов: иридий-191 (37,3 %) и иридий-193 (62,7 %). Известно более 30 радиоактивных изотопов иридия с массовыми числами от 164 до 202. Наиболее стабильные из них — иридий-192 (период полураспада 73,83 дня) и иридий-194 (период полураспада 19,28 часов). Иридий-192 широко используется в промышленности и медицине как источник гамма-излучения.

Нахождение в природе

Иридий — один из самых редких элементов земной коры. Его среднее содержание в земной коре оценивается в 0,001 мг/кг (1×10⁻⁷ % по массе). Встречается в основном в самородном виде, в виде сплавов с осмием (осмистый иридий) и платиной, а также в составе минералов: иридосмина, невьянскита, сысертскита. Основные месторождения иридия находятся в Южно-Африканской Республике (месторождения Бушвельдского комплекса), России (Норильский район, месторождения платины на Урале), Канаде (Садбери), США и Зимбабве.

Иридиевая аномалия на границе мела и палеогена

Важным геологическим маркером является повышенное содержание иридия в тонком слое глин на границе мелового и палеогенового периодов (около 66 миллионов лет назад). Эта аномалия, обнаруженная в 1980 году группой учёных во главе с Луисом Альваресом, стала одним из ключевых доказательств гипотезы о падении крупного астероида, вызвавшего массовое вымирание динозавров. Иридий, характерный для астероидного вещества, но редкий в земной коре, выпал на поверхность Земли после удара, образовав глобальный слой.

Получение

Иридий получают как побочный продукт при переработке сульфидных медно-никелевых руд и при аффинаже платины. Основные этапы получения включают:

1. Концентрирование иридия в виде нерастворимого остатка после растворения платиновых металлов в царской водке.
2. Перевод иридия в растворимое состояние (например, сплавлением с пероксидом натрия или хлорированием).
3. Очистка от примесей других платиновых металлов с помощью ионообменной хроматографии, экстракции или осаждения.
4. Восстановление чистых соединений иридия до металлического порошка водородом при высоких температурах.
5. Плавка и рафинирование металла в дуговых или индукционных печах в инертной атмосфере (аргон, гелий).

Применение

Промышленность

• Высокотемпературные технологии: иридий и его сплавы (например, с платиной, родием) используются для изготовления тиглей, сопел, термопар, деталей печей и реакторов, работающих при температурах до 2000 °C. Иридиевые тигли применяются для выращивания монокристаллов (например, сапфира, оксида иттрия-алюминия) методом Чохральского.
• Электротехника и электроника: иридий используется в качестве материала для электрических контактов, размыкателей и реле, работающих в агрессивных средах и при высоких температурах. Из-за высокой коррозионной стойкости иридий применяют в электродах для электрохимических процессов (например, в производстве хлора и щелочей).
• Автомобильная промышленность: иридий входит в состав свечей зажигания для двигателей внутреннего сгорания. Иридиевые электроды обеспечивают более долгий срок службы и стабильное искрообразование по сравнению с традиционными материалами.
• Металлургия: иридий добавляют в сплавы с платиной, палладием, золотом для повышения твёрдости, прочности и коррозионной стойкости.

Медицина

• Радиотерапия: радиоактивный изотоп иридий-192 используется в брахитерапии — методе лучевой терапии, при котором источник излучения вводится непосредственно в опухоль или рядом с ней. Иридий-192 применяется для лечения рака шейки матки, простаты, молочной железы, кожи и других локализаций.
• Хирургические инструменты: сплавы иридия с платиной используются для изготовления микрохирургических инструментов, катетеров и электродов, благодаря их биосовместимости и коррозионной стойкости.

Наука и техника

• Стандарты и эталоны: иридий-платиновый сплав (90 % Pt, 10 % Ir) использовался для изготовления международного эталона килограмма (хранится в Международном бюро мер и весов во Франции) до 2019 года. Также из этого сплава изготавливают эталонные метры и другие меры длины.
• Космическая техника: иридий применяется в деталях ракетных двигателей, тепловых экранах и термоэлектрических генераторах для космических аппаратов.
• Геология и палеонтология: иридиевые аномалии служат маркерами для датирования геологических событий, таких как падения астероидов.

Производство ювелирных изделий

Иридий используется в ювелирной промышленности в качестве легирующей добавки к платине и золоту. Сплав платины с 10 % иридия обладает высокой твёрдостью и износостойкостью, что делает его пригодным для изготовления оправ драгоценных камней. Чистый иридий из-за высокой твёрдости и хрупкости практически не используется в ювелирном деле.

Биологическая роль и токсичность

Иридий не является биогенным элементом и не играет существенной роли в метаболизме живых организмов. Металлический иридий и его нерастворимые соединения считаются малотоксичными. Однако растворимые соли иридия (например, хлорид иридия) могут быть токсичны при попадании в организм. Они способны вызывать раздражение кожи, глаз и дыхательных путей, а при длительном воздействии — поражение почек и печени. Некоторые соединения иридия обладают аллергенными свойствами. При работе с иридием и его соединениями необходимо соблюдать меры предосторожности.

Интересные факты

• Иридий — самый коррозионно-стойкий металл. Он не тускнеет на воздухе даже при нагревании до 1000 °C.
• Иридий является одним из самых редких элементов в земной коре. Его содержание в 10 раз меньше, чем у золота, и в 50 раз меньше, чем у серебра.
• Иридиевые сплавы используются для изготовления наконечников перьевых ручек премиум-класса (например, Parker, Montblanc).
• В 2019 году международное сообщество переопределило килограмм, отказавшись от физического эталона из иридий-платинового сплава в пользу постоянной Планка.