Благородные металлы

Благородные металлы, золото, серебро, платина и металлы платиновой группы (иридий, осмий, палладий, родий, рутений), получившие свое название главным образом благодаря высокой химической стойкости и красивому внешнему виду в изделиях. Кроме того, золото, серебро и платина обладают высокой пластичностью, а металлы платиновой группы - тугоплавкостью. Эти достоинства отдельных Благородных металлов сочетаются в их сплавах, широко применяемых в технике.

Золото и серебро известны человечеству несколько тысячелетий; об этом свидетельствуют изделия, найденные в древних захоронениях, и примитивные горные выработки, сохранившиеся до наших дней. Основными центрами добычи Благородных металлов в древности были Верхний Египет, Нубия, Испания, Колхида (Кавказ); имеются сведения о добыче Благородных металлов на Американском континенте (Центральная и Южная Америка) и в Азии (Индия, Алтай, Казахстан, Китай). На территории России золото добывали уже во 2-3-м тысячелетиях до н. э.

Из россыпей Благородные металлы извлекали промывкой песков на щитах, поверх которых укладывали шкуры животных с подстриженной шерстью (для улавливания крупинок золота), а также при помощи примитивных желобов, лотков и ковшей. Благородные металлы из руд добывали нагреванием породы до растрескивания с последующими дроблением глыб в каменных ступах, истиранием жерновами и промывкой. Разделение по крупности проводили на ситах. Из техники того времени интересны способ разделения сплавов золота и серебра кислотами, выделение золота и серебра из свинцового сплава купеляцией (Древний Египет), извлечение золота амальгамированием ртутью или с помощью жировой поверхности (Древняя Греция). Купеляцию осуществляли в глиняных тиглях, куда добавляли свинец, соль, олово и отруби.

В 11-6 веках до н. э. золото добывали в Испании в долинах рек Тахо, Дуэро, Миньо и Гуадьяро. В 6-4 веках до н. э. начались разработки коренных и россыпных месторождений золота в Трансильвании и Западных Карпатах. В средние века (вплоть до 18 века) добывали преимущественно серебро, добыча золота снизилась. С 16 века испанцы начинают разработку Благородных металлов на территории Южной Америки: с 1532 года - в Перу и Чили, а с 1537 - в Новой Гранаде (современная Колумбия). В Боливии в 1545 году началась разработка "серебряной горы" Потоси. В 1577 году были обнаружены золотоносные россыпи в Бразилии. К середине 16 века в Америке добывали золота и серебра в 5 раз больше, чем в Европе до открытия Нового Света.

В 1-й половине 16 века испанские колонизаторы обратили внимание на неплавкий тяжелый белый металл, встречающийся попутно с золотом в россыпях Новой Гранады. По внешнему сходству с серебром (исп. plata) они дали ему уменьшительное название "платина" (platina). Платина была известна еще в древности, самородки этого металла находили вместе с золотом и называли их "белым золотом" (Египет, Испания, Абиссиния), "лягушачьим золотом" (о. Борнео) и т. д. Первоначально испанцы считали ее вредной примесью, поэтому был издан правительственный декрет, предписывающий выбрасывать платину в море. Первое научное описание платины сделал Уотсон в 1741 году в связи с началом ее добычи в промышленных масштабах в Колумбии (1735).

В 1803 году английский ученый У. X. Волластон открыл палладий и родий, а в 1804 английский ученый С. Теннант открыл иридий и осмий. В 1808 году русский ученый А. Снядицкий, исследуя платиновую руду, привезенную из Южной Америки, извлек новый химический элемент, названный им вестием. В 1844 году профессор Казанского университета К. К. Клаус всесторонне изучил этот элемент и назвал его в честь России рутением. Металлы платиновой группы встречаются в природе чаще всего в полиметаллических (медно-никелевых) рудах, а также в месторождениях золота и платины.

Добыча Благородных металлов в России началась в 17 веке в Забайкалье с разработки серебряных руд, которая велась подземным способом. Первое письменное упоминание о добыче золота из россыпей Урала относится к 1669 году (летопись Долматовского монастыря). Одно из первых месторождений золота в России было открыто в Карелии в 1737 году; его разработка относится к 1745 году. Началом золотого промысла на Урале принято считать 1745 год, когда Е. Марков открыл Березовское рудное месторождение. В 1819 году в россыпных месторождениях золота на Урале был обнаружен "новый сибирский металл" (платина). В 1824 году на восточном склоне Уральских гор найдена богатая россыпь платины с золотом и заложен первый в России и Европе платиновый прииск. Позднее К. П. Голляховским и другими открыта Исовская система золотоплатиновых россыпей, получившая мировую известность. В 1828 году русский ученый В. В. Любарский опубликовал работы о первом в мире коренном месторождении платины, обнаруженном у Главного Уральского хребта 95% платины до 1915 года в основном добывали из россыпей, остальное количество получали при электролитическом рафинировании меди и золота.

Для извлечения Благородных металлов из россыпных месторождений в 19 веке создаются многочисленные конструкции золотоизвлекательных машин (например, бутпара, вашгерд). С первой половины 19 века на уральских приисках широко применялась буторная разработка. В 30-х годах 19 века на приисках воду для размыва пород россыпей подавали под напором. Дальнейшее совершенствование этого способа привело к созданию водобоев - прототипов гидромонитора. В 1867 году А. П. Чаусов около озера Байкал впервые осуществил гидравлическую разработку россыпи; позднее (1888) этот способ был применен Е. А. Черкасовым в долине р. Чебалсук в Абаканской тайге. В начале 19 века для добычи золота и платины из обводненных россыпей применили землечерпалки, а в 1870 году в Новой Зеландии для этой цели - драгу.

Начиная со 2-й половины 19 века глубокие россыпи в России разрабатываются подземным способом, а в 90-х годах 19 века внедряются экскаваторы и скреперы.

В 1767 году Ф. Бакунин в России впервые применил плавку серебряных руд с использованием шлаков в качестве флюсов. В работах шведского химика К. В. Шееле (1772) содержалось указание на переход золота в раствор при действии цианистых соединений. В 1843 году русский ученый П. Р. Багратион опубликовал труд о растворении золота и серебра в водных растворах цианистых солей в присутствии кислорода и окислителей, заложив основы гидрометаллургии золота.

Очистка и обработка платины затруднялась высокой температурой ее плавления (1773,5°С). В 1-й половине 19 века А. А. Мусин-Пушкин получил ковкую платину прокаливанием ее амальгамы. В 1827 году русские ученые П. Г. Соболевский и В. В. Любарский предложили новый способ очистки сырой платины, положивший начало порошковой металлургии. В течение года этим способом было очищено впервые в мире около 800 кг платины, то есть осуществлена переработка платины в больших масштабах. В 1859 году французские ученые А. Э. Сент-Клер Девиль и А. Дебре впервые выплавили платину в печи в кислородно-водородном пламени. Первые работы по электролизу золота относятся к 1863 году, в производство этот метод введен в 80-х годах 19 века.

Кроме амальгамации, в 1886 году впервые в России было осуществлено извлечение золота из руд хлорированием (Кочкаръский рудник на Урале). В 1896 году на том же руднике пущен первый в России завод по извлечению золота цианированием [первый такой завод построен в Йоханнесбурге (Южная Африка) в 1890]. Вскоре цианистый процесс применили для извлечения серебра из руд.

В 1887-88 в Англии Дж. С. Мак-Артур и братья Р. и У. Форрест получили патенты на способы извлечения золота из руд обработкой их разбавленными щелочными цианистыми растворами и осаждения золота из этих растворов цинковой стружкой. В 1893 проведено осаждение золота электролизом, в 1894 - цинковой пылью. В СССР золото добывают в основном из россыпей; за рубежом около 90% золота - из рудных месторождений.

По эффективности добычи Благородных металлов из россыпей лучшим является дражный способ, менее экономичны скреперно-бульдозерный и гидравлический. Подземная разработка россыпей почти в 1,5 раза дороже дражного способа; в России ее применяют на глубоких россыпях в долинах рек Лены и Колымы. Серебро добывают главным образом из рудных месторождений. Оно встречается в основном в свинцово-цинковых месторождениях, дающих ежегодно около 50% всего добываемого серебра; из медных руд получают 15% , из золотых 10% серебра; около 25% добычи серебра приходится на серебряные жильные месторождения. Значит, часть платиновых металлов извлекают из медно-никелевых руд. Платину и металлы ее группы выплавляют вместе с медью и никелем, и при очистке последних электролизом они остаются в шламе.

Для извлечения Благородных металлов широко пользуются методами гидрометаллургии, часто комбинируемыми с обогащением. Гравитационное обогащение Благородных металлов позволяет выделять крупные частицы металла. Его дополняют цианирование и амальгамация, первое теоретическое обоснование которой дано советским ученым И. Н. Плаксиным в 1927 году. Для цианирования наиболее благоприятно хлористое серебро; сульфидные серебряные руды часто цианируют после предварительного хлорирующего обжига. Золото и серебро из цианистых растворов осаждают обычно металлическим цинком, реже углем и смолами (ионитами). Извлекают золото и серебро из руд селективной флотацией. Около 80% серебра получают главным образом пирометаллургией, остальное количество - амальгамацией и цианированием.

Благородные металлы высокой чистоты получают аффинажем. Потери золота при этом (включая плавку) не превышают 0,06%, содержание золота в аффинированном металле обычно не ниже 999,9 пробы; потери платиновых металлов не свыше 0,1%. Ведутся работы по интенсификации цианистого процесса (цианирование под давлением или при продувке кислорода), изыскиваются нетоксичные растворители для извлечения Благородных металлов, разрабатываются комбинированные методы (например, флотационно-гидрометаллургический), применяются органических реагенты и другие. Осаждение Благородных металлов из цианистых растворов и пульп эффективно осуществляется с помощью ионообменных смол. Успешно извлекаются Благородные металлы из месторождений при помощи бактерий.

Сохраняя функции валютных металлов, главным образом золото, Благородные металлы в то же время получили широкое применение в технике.

В электротехнической промышленности из Благородных металлов изготовляют контакты с большой степенью надежности (стойкость против коррозии, устойчивость к действию образующейся на контактах кратковременной электрической дуги). В технике слабых токов при малых напряжениях в цепях используются контакты из сплавов золота с серебром, золота с платиной, золота с серебром и платиной. Для слаботочной и средненагруженной аппаратуры связи широко применяют сплавы палладия с серебром (от 60 до 5% палладия). Представляют интерес металлокерамические контакты, изготовляемые на основе серебра как токопроводящего компонента. Магнитные сплавы Благородных металлов с высокой коэрцитивной силой употребляют при изготовлении малогабаритных электроприборов . Сопротивления (потенциометры) для автоматических приборов и тензометров делают из сплавов Благородных металлов (главным образом палладия с серебром, реже с других металлами). У них малый температурный коэффициент электрического сопротивления, малая термоэлектродвижущая сила в паре с медью, высокое сопротивление износу, высокая температура плавления, они не окисляются.

В химическом машиностроении и лабораторной технике из Благородных металлов изготовляют различные коррозионностойкие аппараты, электрические нагреватели, высокотемпературные печи, аппаратуру для производства оптического стекла и стекловолокна, термопары, эталоны сопротивления и другое. При этом Благородные металлы используются в чистом виде, как биметалл и в сплавах. Химические реакторы и их части делают целиком из Благородных металлов или только покрывают фольгой из Благородных металлов. Покрытые платиной аппараты применяют при изготовлении чистых химических препаратов и в пищевой промышленности. Когда химической стойкости и тугоплавкости платины или палладия недостаточно, их заменяют сплавами платины с металлами, повышающими эти свойства: иридием (5 -25% ), родием (3-10% ) и рутением (2 -10%). Примером использования Благородных металлов в этих областях техники является изготовление котлов и чаш для плавки щелочей или работы с соляной, уксусной и бензойной кислотами; автоклавов, дистилляторов, колб, мешалок и других.

В медицине Благородные металлы применяют для изготовления инструментов, деталей, приборов, протезов, а также различных препаратов, главным образом на основе серебра. Сплавы платины с иридием, палладием и золотом почти незаменимы при изготовлении игл для шприцев. Из медицинских препаратов, содержащих Благородные металлы, наиболее распространены ляпис, протаргол и другие. Благородные металлы применяют при лучевой терапии (иглы из радиоактивного золота для разрушения злокачественных опухолей), а также в препаратах, повышающих защитные свойства организма.

В электронной технике из золота, легированного германием, индием, галлием, кремнием, оловом, селеном, делают контакты в полупроводниковых диодах и транзисторах.

В фото- кинопромышленности Благородные металлы применяют в виде солей при изготовлении светочувствительных материалов (главным образом серебро в виде бромистой соли, являющейся важнейшей частью светочувствительной эмульсии), реже - соли золота и платины при вирировании изображения.

В ювелирном деле и декоративно-прикладном искусстве применяют сплавы Благородных металлов.

В качестве покрытий других металлов Благородные металлы предохраняют основные металлы от коррозии или придают поверхности этих металлов свойства, присущие Благородным металлы (например, отражательную способность, цвет, блеск и т. д,). Золото эффективно отражает тепло и свет от поверхности ракет и космических кораблей. Для отражения инфракрасной радиации в космосе достаточно тончайшего слоя золота в 1/80 мкм. Для защиты от внешних воздействий, а также для улучшения наблюдения за спутниками на их внешнюю оболочку наносят золотое покрытие. Золотом покрывают некоторые внутренние детали спутников, а также помещения для аппаратуры с целью предохранения от перегрева и коррозии. Благородные металлы используют также в производстве зеркал (серебрение стекла растворами или покрытие серебром распылением в вакууме). Тончайшую пленку Благородные металлы наносят изнутри и снаружи на кожухи авиационных двигателей самолетов высотной авиации. Благородные металлы покрывают отражатели в аппаратах для сушки инфракрасными лучами, электроконтакты и детали проводников, а также радиоаппаратуру и оборудование для рентгено- и радиотерапии. В качестве антикоррозийного покрытия Благородные металлы используют при производстве труб, вентилей и емкостей специального назначения. Разработан широкий ассортимент золотосодержащих пигментов для покрытия металлов, керамики, дерева.

Широко распространены антифрикционные сплавы, припои на основе Благородных металлов. Например, припои с серебром значительно превосходят по прочности медно-цинковые, свинцовые и оловянные, их применяют для пайки радиаторов, карбюраторов, фильтров и т. д.

Сплавы иридия с осмием, а также золота с платиной и палладием используют для изготовления компасных игл, напаек "вечных" перьев.

Высокие каталитические свойства некоторых Благородных металлов позволяют применять их в качестве катализаторов: платину - при производстве серной и азотной кислот; серебро - при изготовлении формалина. Радиоактивное золото заменяет более дорогую платину в качестве катализатора в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Благородные металлы используют также для очистки воды.