Благородные драгоценные металлы

БЛАГОРОДНЫЕ ДРАГОЦЕННЫЕ 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, а также 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 в III – II тыс. до н. э. (т. н. чудские работы). 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 последующим дроблением глыб в каменных ступах, стиранием жерновами и промывкой. Разделение по крупности проводили на сите. Из техник того времени наиболее интересны следующие: 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 XI - VI вв. до н. э. золото добывали в Испании в долинах рек Тахо, Дуэро, Миньо и Гуадьяро. В VI - IV вв. до н. э. начались разработки коренных и россыпных месторождений золота в Трансильвании и Западных Карпатах. В средние века (вплоть до XVIII в.) добывали преимущественно серебро; добыча золота снизилась. С XVI в. испанцы начинают разработку благородных металлов на территории Южной Америки: с 1532 г. - в Перу и Чили, а с 1537 г. - в Новой Гранаде (современная Колумбия). В Боливии в 1545 г. началась разработка «серебряной горы» Потоси. В 1577 г. были обнаружены золотоносные россыпи в Бразилии. К середине XVI в. в Америке добывали золота и серебра в 5 раз больше, чем в Европе до открытия Нового Света.

В первой половине XVI в. 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). Она была известна еще в древности; самородки этого металла находили вместе с золотом и называли их «белым золотом» (Египет, Испания, Абиссиния), «лягушачьим золотом» (остров Борнео) и т.д. Первоначально испанцы считали платину вредной примесью, поэтому был издан правительственный декрет, предписывающий выбрасывать платину в море. Первое научное описание платины сделал Уотсон в 1741 г. в связи с началом ее добычи в Колумбии в промышленных масштабах (1735).

В 1803 г. английский ученый У.Х. Волластон открыл палладий и родий, а в 1804 г. английский ученый С. Теннант - иридий и осмий. В 1808 г. русский ученый А. Снядицкий, исследуя платиновую руду, привезенную из Южной Америки, извлек новый химический элемент, названный им вестием. В 1844 г. 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 XVII в. в Забайкалье с разработки серебряных руд, которая велась подземным способом. Первое письменное упоминание о добыче золота из россыпей Урала относится к 1669 г. (летопись Долматовского монастыря). Одно из первых месторождений золота в России было открыто в Карелии в 1737 г.; его разработка относится к 1745 г. Началом золотого промысла на Урале принято считать 1745 г., когда Е. Марков открыл Берёзовское рудное месторождение. В 1819 г. в россыпных месторождениях золота на Урале был обнаружен «новый сибирский металл» (платина). В 1824 г. 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 др. открыта Исовская система золотоплатиновых россыпей, получившая мировую известность. В 1828 г. русский ученый В.В. Любарский опубликовал работы о первом в мире коренном месторождении платины, обнаруженном у Главного Уральского хребта. 95% платины до 1915 г. в основном добывали из россыпей, остальное количество получали при электролитическом рафинировании меди и золота.

Для извлечения благородных металлов из россыпных месторождений в XIX в. создаются многочисленные конструкции золотоизвлекательных машин (например, «Бутара», «Вашгерд»). С первой половины XIX в. на уральских приисках широко применялась буторная разработка. В 30-х гг. XIX в. на приисках воду для размыва пород россыпей подавали под напором. Дальнейшее совершенствование этого способа привело к созданию водобоев - прототипов гидромонитора. В 1867 г. 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 XIX в. для добычи золота и платины из обводненных россыпей применили землечерпалки, а в 1870 г. в Новой Зеландии - драгу.

Начиная со второй половины XIX в. глубокие россыпи в России разрабатываются подземным способом, а в 90-х гг. XIX в. внедряются экскаваторы и скреперы.

В 1767 г. Ф. Бакунин впервые в России 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 г. 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 градусов). В первой половине XIX в. А.А. Мусин-Пушкин получил ковкую платину прокаливанием ее амальгамы. В 1827 г. русские ученые П.Г. Соболевский и В.В. Любарский предложили новый способ очистки сырой платины, положивший начало порошковой металлургии. В течение года этим способом впервые в мире было очищено около 800 кг платины, т. е. осуществлена переработка платины в больших масштабах. В 1859 г. 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 г.; в производство этот метод введен в 80-х гг. XIX в.

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

В 1887/88 гг. 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 г. проведено осаждение золота электролизом, в 1894 г. - цинковой пылью. В нашей стране 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 нашей стране 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% серебра, из золотых - 10%; около 25% добычи серебра приходится на серебряные жильные месторождения. Значительную 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 г. 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 органические реагенты и др. 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, изготовленные 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 другими 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 др. 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 др.

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 др. 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, геллием, кремнием, оловом, селеном, делают контакты в полупроводниковых диодах и транзисторах. В фото- и 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 вибрировании изображения.

В ювелирном деле и декоративно-прикладном искусстве применяют сплавы благородных металлов (см. Ювелирные сплавы). В качестве покрытий других металлов, благородные металлы предохраняют основные металлы от коррозии или придают поверхности этих металлов свойства, присущие благородным металлам (например, отражательная 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 1/60 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 благородных металлов наносят изнутри и снаружи на кожухи авиационных двигателей самолетов высотной авиации. Благородными металлами 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.