Константинов И.Л. Материаловедение драгоценных металлов и их сплавов
Подождите немного. Документ загружается.
Рутений. Химический элемент, символ Ru, имеет порядковый номер 44,
атомный вес 101,07, химическую валентность ІІІ, ІV, VІ, VІІІ, плотность 12,37
г/см
3
, температуру плавления 2334°С, температуру кипения 4077°С, твердость
по Бринеллю в литом состоянии 2000 МПа. Элемент рутений открыт казанским
химиком Клаусом в 1844 г. и назван в честь России, латинское название которой
«Рутениа».
По механическим, электрическим и химическим характеристикам
рутений может соперничать со многими металлами и даже с платиной и
золотом. Но в отличие от этих металлов рутений очень хрупок, и поэтому
изготовить из него какие-либо изделия не удается. Предполагают, что причиной
низкой технологичности металла при механической обработке является
недостаточная чистота химического состава образцов, подвергаемых
испытаниям. До сих пор попытки получить рутений высокой чистоты разными
способами заканчивались неудачей. В связи с этим до сих пор точно не
установлены такие технически важные характеристики металла, как временное
сопротивление разрыву и относительное удлинение. Лишь недавно с
достаточной точностью определены температуры плавления и кипения рутения.
Компактный металлический рутений не растворяется в щелочах, кислотах
и даже в кипящей царской водке, но частично растворяется в азотной кислоте с
добавками сильных окислителей.
Рутений, подобно платине и палладию, обладает каталитическими
свойствами. В гетерогенном анализе используют рутений и его сплавы.
Наиболее эффективные катализаторы получаются при нанесении рутения на
различные носители с сильно развитыми поверхностями. Во многих случаях
его применяют вместе с платиной, чтобы увеличить ее каталитическую
активность. Имеются сведения о том, что рутениевый катализатор был успешно
применен при синтезе алмазов. Главное достоинство рутения-катализатора в его
высокой избирательной способности. Именно она позволяет химикам
использовать рутений для синтеза самых разнообразных органических и
31
неорганических продуктов. В качестве катализатора рутений конкурирует с
платиной, иридием и родием.
Рутений применяют и в металлургии. Небольшие добавки этого элемента
обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава.
Чаще всего его вводят в металлы, из которых изготавливают контакты для
электротехники и радиоаппаратуры. Сплав рутения с платиной нашел
применение в топливных элементах некоторых американских искусственных
спутников Земли. Важным свойством рутения является то, что при температуре
0,47К он становится сверхпроводником. Сверхпроводимостью обладают также
сплавы рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием. Термопары,
изготовленные из сплава иридия с рутением, позволяют измерять очень
высокие температуры.
В технике используют рутениевые покрытия, наносимые на различные
материалы и изделия в виде тонкого слоя. Подобная пленка существенно
повышает химическую и механическую стойкость изделий, делает их
коррозионностойкими, резко улучшает электрические свойства и т.д. Тонкие
покрытия из драгоценных металлов, и в том числе из рутения, в последние годы
приобретают все большее значение в различных областях электроники, радио- и
электротехнике, а также в ювелирном деле.
Рутений вводится в состав некоторых сплавов, применяемых для напайки,
так называемых, «вечных» перьев. Кроме него, в этих сплавах содержится
вольфрам, кобальт и бор. Рутений применяют также для изготовления сплавов
для опор компасных игл. Эти сплавы должны быть твердыми, прочными и
упругими. Из природных минералов такими свойствами обладает очень редкий
осмистый иридий. В искусственные же материалы для компасных игл вместе с
осмием и иридием, а иногда и другими металлами, входит рутений.
В электротехнике для контактов издавна используется медь, являющаяся
идеальным материалом для передачи сильных токов. Для слаботочных
контактов, работу которых может нарушить любая окисная пленка, используют
палладий или серебряно-палладиевые сплавы. Добавка же к этим сплавам
32
рутения (1 – 5%) придает контактам твердость и прочность. То же относится и к
скользящим контактам, которые должны хорошо противостоять истиранию.
Осмий. Химический элемент, символ Os, имеет порядковый номер 76,
атомный вес 190,2, химическую валентность ІV, VІ, VІІІ, плотность 22,61 г/см
3
,
температуру плавления 3047°С, температуру кипения 5027°С, твердость по
Бринеллю в литом состоянии 4000 МПа. Названием осмий обязан греческому
«осме» (пахнущий) за резкий запах осмиевого ангидрида. Элемент открыл
английский химик Смитсон Теннант в 1804 году в осмистом иридии.
Внешне осмий мало отличается от других платиновых металлов, но
именно у него самые высокие температуры плавления и кипения среди всех
металлов этой группы и наиболее высокая плотность. Осмий можно считать
наименее «благородным» из платиноидов, поскольку кислородом воздуха он
окисляется уже при комнатной температуре (в мелкораздробленном состоянии).
Осмий является самым дорогим из всех платиновых металлов (приблизительно
в 7,5 раз дороже золота).
Осмий – белый с серо-голубым оттенком металл. Кроме того, что осмий
самый тяжелый из всех металлов, он еще является одним из самых твердых.
Тем не менее, осмиевую губку можно растереть в порошок, так как он хрупок.
Этот металл в чистом виде не применяют. Большая твердость осмия (7,0 по
шкале Мооса), является наиболее часто используемым свойством этого
элемента. Поэтому при создании сплавов с наивысшей износостойкостью в их
состав вводят осмий, например, его добавляют в платиновые сплавы для
придания им твердости и упругости. Сплавы иридия с осмием применяют для
наконечников перьев авторучек и компасных игл, в производстве электрических
контактов и ответственных частей измерительных приборов. Исключительная
твердость, хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление износу,
отсутствие магнитных свойств делают осмиридий прекрасным материалом для
острия компасной стрелки, осей и опор точнейших измерительных приборов и
часовых механизмов. Из него изготовляют режущие кромки хирургических
инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.
33
Осмий относят к рассеянным и очень дорогим элементам. Этим
объясняется ограниченное применение металла в промышленности. Он идет
лишь туда, где при малых затратах металла можно получить большой эффект.
Например, в химическую промышленность, которая пытается использовать
осмий в качестве катализатора. В реакциях гидрогенизации органических
веществ осмиевые катализаторы даже эффективнее платиновых.
Осмий представляет большой интерес и как объект научных
исследований. Природный осмий состоит из семи стабильных изотопов с
массовыми числами 184, 186-190 и 192. При этом, чем меньше массовое число
изотопа этого элемента, тем менее он распространен в природе. Так, если на
долю самого тяжелого изотопа (осмия-192) приходится 41%, то самый легкий
из семи изотопов (осмий-184) составляет только 0,018% от общего количества
всех изотопов.
Поскольку изотопы отличаются друг от друга только массой атомов, а по
своим физико-химическим свойствам они близки между собой, то разделить их
очень сложно. Именно поэтому даже малое количество изотопов некоторых
элементов стоят очень дорого. Например, килограмм осмия-187 оценивается на
мировом рынке в сумму около 14 миллионов долларов. В последнее время
появились технологии по разделению изотопов с помощью лазерных лучей. В
связи с этим цена на них снизится.
Из соединений осмия с кислородом наибольшее практическое значение
имеет его тетраоксид. Это химическое соединение выступает в роли
катализатора при синтезе некоторых лекарственных препаратов. В медицине и
биологии тетраоксид используют как окрашивающее средство при
микроскопическом исследовании животных и растительных тканей. Следует
помнить, что бледно-желтые кристаллы четырехокиси осмия - сильный яд,
раздражающий кожу и слизистые оболочки, а также вредно действующий на
глаза. Другая особенность четырехокиси осмия состоит в том, что ее
растворимость в органических жидкостях значительно выше, чем в воде. Так,
34
при обычных условиях в стакане воды растворяется всего 14 граммов этого
вещества, а в стакане четыреххлористого углерода более 700 граммов.
В атмосфере серных паров порошок осмия сгорает, образуя сульфид.
Активный фтор при комнатной температуре с осмием не взаимодействует
но при нагреве до 250-300°С образуется ряд фторидов.
Окись осмия используют в качестве черного красителя для живописи по
фарфору, а соли этого элемента применяют в минералогии как сильные
травители.
Контрольные вопросы и задания
1. Какие металлы входят в группу платиновых металлов?
2. Почему платину широко используют в химической
промышленности?
3. В чем заключаются уникальные химические свойства палладия?
4. Для чего родий применяют в ювелирной промышленности?
5. Опишите свойства иридия в качестве легирующего элемента.
6. В чем особенность строения природного осмия?
7. Почему рутений и осмий часто используют при изготовлении
перьев авторучек?
Лекция 6
КЛАССИФИКАЦИЯ ДРАГОЦЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
План лекции
1. Особенности классификации драгоценных металлов
2. Классификация драгоценных металлов по химическому составу
3. Классификация драгоценных металлов по назначению
4. Классификация драгоценных металлов в зависимости от сфер
потребления и наличия пробирного надзора
35
Классификация драгоценных металлов и сплавов, по сравнению с
классификациями других металлов и сплавов, имеет ряд принципиальных
отличий, к которым можно отнести:
- обособленность и самостоятельность всей этой группы металлов и
содержащих их сплавов относительно других групп металлов и сплавов;
- особый порядок построения марок сплавов, содержащих драгоценные
металлы, особое обозначение марок этих сплавов и особое общее и частное
наименование сплавов в случаях, когда драгоценные металлы не являются в них
основными компонентами или когда в сплавах для изготовления изделий
бытового назначения присутствует в качестве компонента наряду с другими
драгоценными металлами золото;
- особое исчисление и особое количественное выражение числовых
значений содержания золота, серебра, платины и палладия в марках
драгоценных металлов и сплавов в полуфабрикатах и изготовляемых из них
изделий, поступающих в обращение к населению или имеющих музейно-
выставочное и другое специальное назначение.
Отличия эти сложились исторически на основе многовековой мировой
практики производства, апробирования, учета, нормирования, продажи, купли и
потребления этих металлов и сплавов, а также издавна и почти повсеместно
осуществляемого специального пробирного надзора и поэтому стали
узаконенными постановлениями правительств многих стран и международных
соответствующих организаций, а также всеобщей традицией.
Причина же возникновения и сохранения в том же виде этих традиций –
особая роль драгоценных металлов, которую они играют в валютно-
финансовых, банковских, таможенных и других сферах, не свойственная
другим металлам; исключительное положение в сфере бытового и специального
потребления; особая значимость в технике и осуществлении дальнейшего
технического прогресса, где они находят все большее применение и во многих
случаях незаменимы другими металлами, а также их высокая стоимость и
крайняя ограниченность распространения и добычи.
36
Учитывая сложившиеся в мировой практике, включая и нашу страну,
традиционные положения по производству и потреблению драгоценных
металлов, можно рекомендовать для практического применения следующую
специальную классификацию драгоценных металлов по их химическому
составу.
1. Драгоценные металлы и любые сплавы, содержащие их в качестве
компонентов, представляют собой наряду с другими группами металлов и
сплавов (например, черных, цветных и т.д.) самостоятельную группу, которую
следует именовать в общем виде драгоценные металлы и сплавы.
2. Делить группы драгоценных металлов и сплавов на основные
структурные подразделения (подгруппы) и называть эти подразделения следует
по наименованию драгоценных металлов с учетом их количественного (в
процентах по массе) содержания в сплавах в качестве компонентов. Иными
словами, какой из драгоценных металлов входит в сплавы в превалирующем
количестве, относительно других драгоценных металлов, и является основным
компонентом этих сплавов. Исключением являются сплавы, содержащие в
качестве компонента золото и предназначенные для изготовления изделий
бытового назначения, подлежащего компетенции пробирного надзора, в
частности сплавы, содержащие 37,5% золота, где оно независимо от
содержания других драгоценных металлов считается основным компонентом и
определяет наименование сплавов.
3. Драгоценный металл, содержание которого в данном сплаве
максимально, считается и основным компонентом сплавов в целом, т.е.
независимо от того, содержится ли он в превалирующем или в меньшем
количестве в этих сплавах относительно содержания в них других
недрагоценных металлов.
Таким образом, основным компонентом в сплавах, содержащих
драгоценные металлы, считается любой драгоценный металл, содержащийся в
сплавах в превалирующем количестве относительно других драгоценных
металлов и в любом количестве относительно остальных компонентов сплавов.
37
4. Легирующими компонентами сплавов драгоценных металлов являются
все компоненты сплавов, которые не относятся к драгоценным металлам, а
также все компоненты – драгоценные металлы, содержащиеся в сплавах в
количествах, меньших, чем основные драгоценные металлы.
5. В группу драгоценных металлов и сплавов в общем виде входят
следующие структурные подразделения (подгруппы): серебро и его сплавы;
золото и его сплавы; платина и ее сплавы; палладий и его сплавы; родий и его
сплавы; рутений и его сплавы; иридий и его сплавы, и осмий и его сплавы.
6. К сплавам серебра либо золота, платины, палладия, родия, рутения,
иридия, или осмия относятся любые сплавы, в которых каждый из этих
металлов соответственно присутствует в качестве компонента в любых
количествах, но более содержания других драгоценных металлов.
При этом если сплав содержит одновременно несколько драгоценных
металлов в одном и том же количестве, то основным компонентом в таких
сплавах следует считать драгоценный металл, определяющий основное
назначение данного сплава. Например, в сплаве 50%Ag + 50%Pd,
предназначаемом для электрических контактов, следует считать основным
компонентом серебро, а сплав именовать серебряным, так как серебро в этом
сплаве выполняет основное назначение контакта.
7. В зависимости от назначения входящих в сплавы компонентов и
назначения сплавов в целом сплавы драгоценных металлов могут
подразделяться следующим образом:
- основные сплавы, предназначаемые для непосредственного
производства полуфабрикатов и изделий из них;
- припойные сплавы или просто припои, предназначаемые для
непосредственного производства припойных полуфабрикатов, применяемых в
качестве материалов сочленения деталей изделий методом пайки;
- промежуточные сплавы или лигатуры, применяемые в качестве
шихтовых материалов для приготовления основных и припойных сплавов с
38
целью сокращения угара легкоплавких составляющих шихт или введения в
основной сплав тугоплавких составляющих его компонентов.
8. В зависимости от сфер потребления и наличия пробирного надзора за
содержанием драгоценных металлов в сплавах они подразделяются:
- на металлы аффинированные, предназначаемые для производства
полуфабрикатов и изделий, а также специальных целей;
- на металлы и сплавы в полуфабрикатах, предназначаемые для
производства полупродуктов, либо изделий промышленного потребления, а
также на металлы и сплавы в изделиях такого же характера потребления;
- на металлы и сплавы в полуфабрикатах, предназначаемых для
производства основ или деталей изделий, а также в самих изделиях бытового,
музейно-выставочного и другого потребления, имеющих обращение у
населения и подлежащих в виде изделий обязательному контролю и клеймению
органами пробирного надзора.
9. В свою очередь основные, припойные и промежуточные сплавы
серебра, золота, платины и т.д. подразделяются на подгруппы по наименованию
этих сплавов, определяемого наименованием входящих в них компонентов.
Например, сплавы серебра подразделяются на сплавы серебра с медью, серебра
с кадмием, серебра с медью и никелем и т.д.; припои серебряные
подразделяются на припои серебра с медью и цинком, серебра с медью и
фосфором и т.д.
10. Классификация драгоценных металлов и всех их сплавов (основных,
припойных и промежуточных) завершается в зависимости от их химического
состава построением и присвоением металлам и сплавам сокращенных или
вообще условных обозначений их качественного (в буквах) и количественного
(в буквах или цифрах) химического состава по содержанию основных и
легированных (полностью или частично) компонентов.
11. Для качественной характеристики химического состава по
компонентам драгоценных металлов и сплавов в полуфабрикатах и изделиях в
их марках применяют следующие обозначения (символы):
39
для компонентов из драгоценных металлов: Ср – серебро, Зл – золото, Пл
– платина, Пд – палладий, Рд – родий, Ру – рутений, И – иридий, и Ос – осмий,
причем все они стандартизованы соответствующими государственными
стандартами и согласуются с обозначением других химических элементов;
для других компонентов: М – медь, Н – никель, Ц – цинк, Кд – кадмий,
Ол – олово, Мц – марганец, К – кобальт, Кр – кремний, Ф – фосфор, и т.д.,
которые также узаконены соответствующими стандартами.
12. Для качественной характеристики химического состава по
компонентам драгоценных металлов, полученных аффинированием, в их
маркировках применяют частью эти же стандартизированные (для платины и
всех платиноидов ), а частью иные, регламентированные только техническими
условиями (для серебра и золота) буквенные обозначения, причем с
обязательным добавлением ко всем как стандартизированным, так и
нестандартизированным символам дополнительного символа А,
обозначающего, что данный металл аффинированный, например, СА – серебро
аффинированное, ЗА – золото аффинированное, но ПлА – платина
аффинированная, ПдА – палладий аффинированный и т.д. Это может вносить
некоторую путаницу в написании марок, так, например, С обозначает и свинец,
13. Для количественной характеристики химического состава по
компонентам аффинированных драгоценных металлов в их марках применяют
условные буквенные и численные символы, характеризующие степень чистоты
этих металлов. Для серебра и золота: О – особая, 1 – высокая, 2 и 3 –
повышенной чистоты и т.д. Для платины и платиноидов: Э – экстра или особая
или высокая, 1 и 2 – повышенная чистота и т.д.
При построении марок аффинированных драгоценных металлов по
данной классификации и терминологии количественные символы проставляют
за качественными через дефис, например, СА-О, СА-1 и т.д., ЗА-1, ЗА-2, ПлА-Э,
ПлА-1 и т.д.
14. Химический состав всех металлов и сплавов выражается в процентах
по массе. В государственных стандартах и технических условиях,
40