Путешествие в Страну элементов

Благородные металлы

В богатом и разнообразном царстве металлов есть одна замечательная плеяда, с которой тесно связана не только история химии, но и вся история человечества. Представители этой плеяды расположены в двух отдельных группах периодической системы элементов Д. И. Менделеева: первой и восьмой. Дистанция, как видно, огромного размера: ведь принадлежность к разным группам свидетельствует о различии в коренных химических свойствах. И все-таки наши металлы удивительно сходны — все они являются благородными.

С незапамятных времен притягивала человеческий взор редкая красота этого единственного в своем роде металла. Его лучезарный блеск невольно приводил на память жаркое сияние солнца. Недаром алхимики приписывали ему магическую взаимосвязь с нашим дневным светилом. От латинского названия солнечного металла «Aurum» происходит имя «Аврора», означающее «заря».

Безусловно, люди ценят золото не только за красоту. Попробуйте сыскать другой металл, столь же ковкий и тягучий. Умение выделывать из золота чрезвычайно тонкие листки было известно еще нашим далеким предкам. Если помните, о нем упоминает автор «Одиссеи» Гомер, а древнеримский историк Гай Плиний Младший уже довольно точно сообщает, что унция (31,1 грамма) золота дает 750 квадратных листов в 4 пальца шириною.

Любопытно отметить, что золото, перед тем как стать предметом роскоши, шло наряду с медью на изготовление оружия и домашней утвари. Археологические раскопки датских курганов показали, что в древности люди экономили не на золоте, а на более редком железе. Да это и понятно. «Золото было в сущности первым металлом, который открыл человек», — говорил Карл Маркс в своей работе «К критике политической экономии». Лишь после того как были найдены другие металлы и появились способы их обработки, золото получило власть, стало сильным. И уже гораздо позднее оно выступило в роли денег.

Но только ли физические свойства способствовали превращению золота в драгоценный металл?

Если железная крыша не покрашена, она довольно скоро покроется бурыми пятнами ржавчины. Оцинкованное ведро служит дольше, чем луженое медное, однако и на нем беспощадные зубы времени рано или поздно оставляют следы в виде беловатого налета окиси. То же самое явление, называемое коррозией, происходит с большинством металлов во влажной атмосфере. Но сколько бы лет ни пролежало на воздухе золото, оно не заржавеет, не потеряет своего чудного блеска. В течение шести столетий ярко горел на солнце позолоченный купол собора Ивана Великого в Московском Кремле.

Золото неприступно для окислителей не только при обычных условиях. На сильном жару, даже в расплавленном состоянии, — а золото плавится при температуре 1063 °C, — оно не уступает атакам кислорода.

Самые агрессивные кислоты не способны нарушить олимпийское спокойствие царя металлов. Исключение составляет смесь 3 частей соляной и 1 части азотной кислоты. Она относительно легко растворяет золото и поэтому называется «царской водкой».

Среди других растворителей можно упомянуть только две смеси кислот: серной и марганцевой, серной и азотной, а также горячую селеновую кислоту. Вот и все. Что же касается щелочей, то они ни при каких обстоятельствах не разъедают золото. Именно эту химическую «леность» подразумевает химик, когда называет золото благородным металлом.

Вещества, которые прямо взаимодействуют с золотом, могут быть перечислены по пальцам. Да они и не встречаются, как правило, в обыденной жизни человека. Например, галогены. Когда крупинка золота попадает в хлорную воду, она через некоторое время исчезает. Выпарьте раствор досуха, и вы увидите на дне чашки зеленые кристаллики. Это хлорное золото. Та же соль получится, если в банку, заполненную газообразным хлором, внести тонкий золотой листочек. И хотя золото без труда соединяется в присутствии влаги с элементарными хлором, бромом и йодом, его еще легче выделить из образовавшихся солей. Склянка с раствором хлорного золота при стоянии на свету через некоторое время покрывается изнутри тонким налетом драгоценного металла. Процесс ускоряется добавлением восстановителя, скажем железного купороса. Золото тотчас же начнет выпадать в виде темно-бурого порошка. После прокаливания порошкообразное золото обретет свой первоначальный цвет.

Еще легче соединяется золото со ртутью. Стоит только капельке ртути попасть на золотую вещь, как на блестящей желтой поверхности тут же появится тусклое серое пятно. Это амальгама — сплав золота со ртутью.

Добыча золота облегчается тем, что из-за своей химической инертности оно встречается на Земле, как правило, только в самородном состоянии. Нередко попадаются самородки весом в десятки килограммов. Золото есть и в морской воде, но уже в виде солей. Каждые 20 тонн воды в полярных морях содержат около 1 миллиграмма золота. Если разделить все золото, содержащееся в Мировом океане, поровну между жителями нашей планеты, то на каждого придется по 35 тонн! В микроскопических количествах золото обнаружено также в тканях и крови живых организмов.

Таким образом, золото рассеяно в земной коре и морской воде. Золотые залежи Земли еще далеко не исчерпаны, хотя человек на протяжении тысячелетий по крупинке собрал целые горы золота. Куда оно идет? Неужели только лежит мертвым грузом в виде сокровищ или служит материалом для изготовления украшений? Разве не существует иных путей его применения?

В наши дни золото успешно применяется в медицине, особенно в зубоврачебной технике. Соединения золота повышают защитные свойства организма, и этим пользуются при лечении туберкулеза. Радиоактивные изотопы золота приходят на помощь врачу в борьбе со злокачественными опухолями мозга.

Металлическое золото — самый мягкий из благородных металлов. Это и его плюс и минус. Оно очень легко стирается. Например, во времена, когда имела хождение золотая монета, каждые сто лет пропадало около одной пятой драгоценного металла вследствие истирания и утраты. Это побудило людей брать не чистое золото, а его сплавы с различными металлами.

Примесь постороннего металла в золоте называется лигатурой, а содержание золота в 1000 частей сплава — пробой. Если в сплаве не более 6 процентов лигатуры, то есть проба золота не ниже 940, золото называется червонным. Обычно в качестве лигатуры берут медь, иногда серебро, платину и другие металлы. В таком виде золото идет на изготовление химической аппаратуры, применяется в электротехнике.

Специалисты, занимающиеся приготовлением золотых сплавов, рассказывают, что жидкое золото представляет необыкновенно впечатляющую картину. Вы видите перед собой ослепительно яркую жидкость, испускающую какие-то странные зеленоватые лучи с синим оттенком. Над поверхностью расплава поднимается призрачная зеленоватая дымка — это пары золота. Зловещий блеск трудно выдержать и минуту, а между тем необычайная красота зрелища приковывает к себе взгляд. Когда вы, наконец, отрываете глаза от расплавленного металла, у вас перед глазами повсюду стоят алые круги, будто пятна крови. Блеск и кровь — разве это не символично? Это словно напоминание о бесчисленных трагических эпизодах, связанных с многовековой эпопеей золота, царя металлов.

Если золото в глазах алхимиков олицетворяло собой Солнце, то серебру соответствовало наше ночное светило — Луна. В своих сочинениях алхимики так и обозначали серебро — тонким серпиком, знаком Луны. Это и понятно. Химически чистое серебро в слитках имеет красивый белый цвет с желтоватым оттенком — точь-в-точь как у лунного диска. В тонких листках и в проходящем свете оно кажется синеватым или зеленоватым. Как видно, алхимикам нельзя отказать в удачном выборе аналогий, по крайней мере цветовых, между химическими и небесными телами.

Серебро довольно мягко, хотя и тверже золота. Оно столь же легко куется, прокатывается и вытягивается. Температура плавления у серебра меньше: 950,5 °C. При более высокой температуре оно образует пары красивого зеленого цвета и может перегоняться подобно воде. Переходя из жидкого состояния в твердое, оно расширяется.

Из-за мягкости серебро в чистом виде не применяется на практике. Сплавы серебра служат для приготовления износоустойчивых материалов и покрытий. С золотом серебро сплавляется во всех пропорциях. Сплавы с медью более прочны, меньше стираются, и потому только в таком виде серебро идет на чеканку монет, медалей, значков и т. п.

Между прочим, присутствие меди делает серебряные вещи более звонкими.

Серебро лучше всех других металлов проводит тепло и электрический ток. Вот почему значительная часть серебра расходуется электропромышленностью для изготовления контактов.

По химическим свойствам серебро напоминает золото. Оно расположено в той же самой первой группе периодической системы. Подобно золоту, серебро одновалентно. Оно менее пассивно в химическом смысле, чем золото, а стало быть, и менее «благородно». Серебро легко соединяется с хлором, мышьяком, сурьмой и другими элементами.

А вот с кислородом серебро не взаимодействует ни при какой температуре. Правда, при плавлении на воздухе оно поглощает значительное количество кислорода: до 22 кубических сантиметров на каждый миллилитр расплава. Однако при застывании расплава кислород снова покидает металл. Происходит любопытное явление, напоминающее извержение вулканов. На поверхности затвердевающего металла образуется корка. На этой корке время от времени появляются небольшие возвышения, из которых, словно из кратера вулкана, вырывается раскаленный кислород, увлекая за собой брызги металла.

Хорошо известно, что так называемая «святая вода» никогда не теряет свежести даже при длительном стоянии. Конечно, это объясняется отнюдь не вмешательством каких-то «сверхъестественных сил», а просто-напросто тем, что вода хранится в серебряных сосудах. А серебро убивает микроорганизмы, придающие обычной стоячей воде затхлый привкус.

С водой при комнатной температуре серебро не взаимодействует. Но раскаленный кусочек серебра, брошенный вводу, вызывает ее разложение. В результате реакции кислород присоединяется к серебру, а водород выделяется в виде газа.

Если полученную таким образом окись серебра облить аммиаком и оставить на некоторое время в покое, то часть Ag₂O перейдет в раствор, а часть образует черное кристаллическое вещество. Это соединение, открытое французским химиком Бертолле, обладает сильнейшими взрывчатыми свойствами. Достаточно легкого сотрясения, незначительного нагрева или просто падения капли воды, чтобы произошел взрыв. Недаром оно называется «гремучим» серебром.

Вообще с аммиаком серебро дает множество химических производных. Они хорошо растворимы в воде и относятся к классу комплексных соединений. Если к аммиачному комплексу серебра прибавить немного глюкозы или формалина, то на стенках стеклянного сосуда появится плотный блестящий слой металла. Этим способом в настоящее время серебрят внутреннюю поверхность термосов и готовят зеркала.

Разведенные кислоты в большинстве своем не действуют на серебро. Зато оно прекрасно растворяется в азотной кислоте, образуя нитрат. Это вещество, известное в обиходе под названием «ляпис», было хорошо знакомо еще алхимикам. Они называли его «лунными кристаллами», «адским камнем» и т. д. Последнее связано, по-видимому, с действием ляписа на кожу. Попав на кожу, серебро начинает восстанавливаться до металлического состояния, окисляя окружающие ткани. Именно потому и образуется коричневое пятно на том месте, куда попала соль. Окисляющее действие серебра губит инфекцию, и благодаря этому ляпис издавна применялся для прижиганий.

Если капнуть раствором ляписа в воду, содержащую хлористую соль, получится белый творожистый осадок, не растворимый даже в кислотах. Реакция очень чувствительна. С ее помощью можно обнаружить ничтожные количества ионов хлора, брома или йода. Поэтому она играет важную роль в химическом анализе. Белые хлопья хлористого серебра при стоянии на свету темнеют, так как происходит разложение соли с выделением металлического серебра. В еще большей степени такими свойствами обладают бромид и йодид серебра. Эта необычная светочувствительность используется в фотографии для приготовления эмульсионного слоя, который наносят на бумагу и пленку.

В XVII веке в древнее государство ацтеков и инков вторглись испанские конкистадоры во главе с Фердинандом Кортесом. Расхитители богатств завоеванной страны, расположенной на территории нынешней Колумбии (Южная Америка), охотились в основном за золотом и серебром и поэтому были немало удивлены, когда нашли на берегах реки Платино-дель-Пинто крупинки металла, очень похожего на серебро, только более тяжелого. Странному металлу было присвоено имя «платина» — уменьшительное от «плата», что по-испански означает «серебро».

Впервые в Европу из Бразилии завез платину математик д’Уллоа в 1735 году. 20 лет спустя непонятный металл был, наконец, признан шведским химиком Шефером за самостоятельный химический элемент.

Новичок удивительно походил на своих древних собратьев — золото и серебро. Он был столь же пластичен, как и золото, не хуже серебра проводил тепло и электрический ток. Его удельный вес (21,4) был еще выше, чем у золота, которое до той поры слыло самым тяжелым металлом. Тугоплавкости мог позавидовать сам царь металлов: ведь температура плавления платины 1774 градуса. Что же касается химической сопротивляемости, то и здесь платина удовлетворяла всем требованиям, предъявляемым члену «благородного семейства».

Как и золото, платина растворяется только в «царской водке». При этом образуется комплексная платинохлористоводородная кислота: H₂PtCl₆. Уступает платина и атакам такого химического «агрессора», как фтор, образуя фториды PtF₂ и PtF₄.

Не удивительно, что подобные достоинства платины снискали уважение у инженеров и ученых. Она оказалась незаменимой там, где требуется высокая химическая и механическая стойкость, а также жаропрочность. Из платины делают тигли, реторты, котлы, применяемые в исследовательских лабораториях и заводских цехах.

Химическая пассивность платины на руку ювелирам и стоматологам. Около двух третей ежегодной добычи платины идет на изготовление украшений и протезирование в зубоврачебном деле. В электротехнике она употребляется для изготовления электродов измерительных приборов, спиралей для печей сопротивления.

Благородная платина выгодно отличается от золота и серебра своей недюжинной способностью ускорять химические реакции. Особенно заметно проявляется это качество у платины тогда, когда она переводится в мелкораздробленное состояние. Тончайший порошок платины — так называемая платиновая чернь — обладает развитой поверхностью. Он наносится на асбест или другой материал, иногда даже на саму платину. На шершавой поверхности катализатора, в его порах, углублениях, на острых выступах реакции протекают гораздо быстрее, чем в обычных условиях. Диапазон применения платины в качестве катализатора необыкновенно велик: от гигантских контактных аппаратов на сернокислотных заводах до миниатюрных приборчиков для дожигания вредных автомобильных выхлопных газов.

Исследования сырой платины привели к появлению на свет ее спутников-«близнецов». В 1803 году были открыты палладий и родий, в 1804 году — осмий и иридий, а еще через 40 лет — рутений, названный так в честь России (по-латыни: «Ruthenia»).

Рутений является первым по порядку членом «благородной династии», хотя и открыт в последнюю очередь. Сама платина замыкает семейство платиноидов — так были названы ее спутники. Вся компания «близнецов» в менделеевской таблице разбита на две тройки: рутений, родий, палладий (триада легких платиноидов) и осмий, иридий, платина (триада тяжелых платиноидов). Обе триады размещены в два этажа в восьмой группе периодической системы под одной крышей — триадой железа.

Более позднее открытие рутения объясняется тем, что он самый редкий среди спутников платины. Обнаруживший его профессор Дерптского университета Озанн впоследствии стал даже сомневаться в элементарной природе рутения. Однако в 1844 году Карл Карлович Клаус, профессор химии Казанского университета, доказал, что озанновская смесь действительно содержит новый элемент.

Рутений — типичный представитель «благородного семейства». На него не действуют никакие кислоты, в том числе «царская водка». Кислород воздуха окисляет рутений только при нагревании. Интересным соединением рутения является его четырехокись RuO₄. Здесь он восьмивалентен. Четырехокись рутения получается не без труда: для этого необходимо действие какого-нибудь сильного окислителя (хлора, брома, перманганата калия) на растворы солей металла при нагревании.

«Близнецы» триады легких платиноидов похожи друг на друга как две капли воды. Но вместе с тем у каждого из них есть свои особенные черточки. Например, соли родия, как правило, отличаются розово-красным цветом. Именно потому элемент и получил свое название: «родон» по-гречески значит «роза». В остальном родий родствен своим собратьям по триаде. Он очень пассивен химически: не растворяется в кислотах и очень слабо в «царской водке». В растворимую форму переходит лишь при нагревании с дымящей серной кислотой, а также с расплавленными гидросульфатами щелочей, перекисью натрия, перекисью бария. Чтобы окислить родий на воздухе, нужно нагреть металл до температуры красного каления.

В мелкораздробленном состоянии металлический родий легко растворяет газы, и с этим связаны его каталитические свойства.

Триаду легких платиноидов завершает палладий, названный так в честь малой планеты Паллады. По способности к механической обработке он превосходит не только собратьев по триаде, но и все без исключения металлы платиновой группы. Как и родий, но намного интенсивнее, палладий поглощает газы: при 20 градусах он способен впитать в себя до 800 объемов водорода. Эта способность объясняет его высокую каталитическую активность. Среди платиноидов палладий считается химически наиболее активным. При нагревании на воздухе он дает окислы Pd₂O и PdO. Палладий растворим в «царской водке» и в азотной кислоте.

Триаду тяжелых платиноидов открывает осмий. Это самый тяжелый металл: у него непревзойденный по величине удельный вес — 22,48. Обладая благородной инертностью, осмий тем не менее легко растворим в азотной кислоте, особенно в дымящей.

На воздухе осмий постепенно окисляется в четырехокись OsO₄. Четырехокись — наиболее характерное соединение осмия. Она обладает резким запахом, которому металл обязан своим названием (по-гречески «осмо» — «запах»). Четырехокись осмия способна возгоняться в виде почти бесцветных прозрачных игл. Пары ее ядовиты. Интересно, что мелко раздробленный осмий вспыхивает в атмосфере серных паров, как спичка, образуя OsS₂. При комнатной температуре фтор не действует на осмий; реакция протекает только при нагревании. При этом получается смесь фторидов, среди них OsF₈.

Между осмием и платиной находится иридий. Его «благородное происхождение» не подлежит никакому сомнению. Он еще больше, чем его соседи по триаде, устойчив к кислотам. Сплавленный иридий неприступен для «царской водки»; лишь в состоянии тончайшего раздробления он медленно растворяется в ней. Галогены, сера и кислород взаимодействуют с иридием только при температуре красного каления. Соли иридия имеют самую различную окраску, от этой пестроты и происходит название иридия: «ирис» по-гречески — «радуга».

Платина и ее спутники нашли достойное применение своим качествам, особенно для облагораживания сплавов. Международные эталоны метра и килограмма сделаны из сплава платины (90 процентов) и иридия (10 процентов). Иридий, отличающийся необыкновенной твердостью, идет на изготовление электрических контактов для магнето в двигателях внутреннего сгорания, на иридирование поверхностей для придания им прочности и стойкости. Чтобы изготовить кислотоупорную посуду, не боящуюся даже «царской водки», прибегают к услугам родия. В сплавах же с платиной он превосходный катализатор. Не менее важным катализатором служит палладий, дающий возможность вести химические процессы при относительно низких температурах и давлениях. Соли осмия находят применение в минералографии, медицине, для обработки биологических препаратов перед микроскопированием.

Итак, химическая стойкость — вот что отличает членов «благородного семейства». В этом смысле вполне сравнимы между собой платиноиды с одной стороны, а с другой — золото и серебро. У всех у них есть и другие полезные свойства, например тугоплавкость, пластичность, красивый внешний вид. Наконец, одним из важнейших качеств является способность, особенно у некоторых платиноидов, ускорять химические реакции. За все это и называют люди наши металлы драгоценными.