Иридий: факты и фактики

Почему его так назвали? Соли иридия отличаются многообразием своих расцветок, например IrCl – медно-красный, IrCl₂ – темно-зеленый, IrCl₃ – оливково-зеленый, IrCl₄ – коричневый, IrF₂ – желтый, Ir₂O₃ и IrBr – синие. От этого-то он и получил свое название, происходящее от имени греческой богини радуги – Ириды. Открыли же иридий в начале XIX века, когда химики занялись вопросом: чистое ли вещество самородная платина? Получить ответ на этот вопрос нелегко, поскольку платина – благородный металл и очень плохо взаимодействует с химическими веществами. В 1803 году английский химик Уильям Волластон растворил платину в царской водке и выделил из полученного раствора два платиноида – палладий и родий. А год спустя его соотечественник Смитсон Теннант из оставшегося при таком растворении твердого вещества выделил еще два платиноида – осмий и иридий.

Почему эталоны веса и длины были сделаны из сплава платины с добавкой иридия? Иридий – один из самых химически стойких элементов: он не растворяется даже в царской водке, и только расплавленная щелочь или перекись натрия способны его расплавить (см. «Химию и жизнь», 1973, № 2). Легче всего образуется треххлористый иридий: для этого порошок металла надо продувать нагретым до 600° С хлором. Чтобы получить оксид, требуется делать то же самое кислородом, но нагретым уже до 1000° С. Добавка 10% иридия к платине придает сплаву необычайную химическую стойкость и прочность, поэтому из него и были сделаны эталоны метра и килограмма. Ныне первый уже отслужил свое и заменен длиной волны излучения криптона, а второму замену физики пока не нашли, хотя и ищут. Среди других предметов, вытесненных из обихода научно-техническим прогрессом, – перьевые ручки с пером из сплава платины с иридием: такое перо долго не изнашивалось.

Сколько иридия на нашей планете? Это один из редчайших металлов, его содержание в земной коре точно не определено, а оценено в десятимиллионную долю процента. Летом 2012 года унция иридия стоила 1085 долларов США, или в полтора раза меньше, чем золото. Со времени прошлого обращения журнала к этому элементу в 1973 году иридий сильно подешевел — тогда он был в пять раз дороже золота. Мировое производство сильно зависит от спроса и может за считанные годы колебаться от 1 до 6 с лишним тонн.

Как получают иридий? Этот металл и его минералы сопутствуют платине, поэтому его получают при разделении платиноидов, а основы соответствующего процесса заложил член-корреспондент Императорской академии наук Карл Карлович Клаус в середине XIX века. Именно он указывал, что иридий и другие ценные металлы можно добывать из отходов производства платины. Воспользоваться его советом в России не удалось: в 1862 году более 10 тонн таких отходов Санкт-Петербургского монетного двора были проданы англичанам. В последующие полвека никто так и не собрался организовать правильное использование таких отходов; русские ученые и инженеры покупали платиноиды за границей. Практически сразу после революции, в мае 1918 года, был создан Институт по изучению платины и других благородных металлов (ныне ИОНХ им. Н.С.Курнакова РАН), и вскоре налажено отечественное производство платиноидов. Помимо переработки платины, их источником служат сульфидные медно-никелевые руды, из которых извлекают всю смесь благородных металлов в качестве побочного продукта производства меди или никеля.

Откуда взялся иридий на поверхности планеты? Считается, что при образовании планет происходит так называемая стратификация: тяжелые элементы сосредоточиваются в ядре, а легкие – в коре. Поэтому на поверхности планет земного типа платиноидов быть не должно, однако они есть. Есть подозрение, что это – результат последующей астероидной бомбардировки. Действительно, если состав астероидов соответствует исходному веществу протопланетной туманности, они должны быть обогащены тяжелыми металлами по сравнению с корой планет. Обогащение окажется еще сильнее, если предположить, что некоторые астероиды, особенно металлические, представляют собой обломки ядра гипотетической погибшей планеты — Фаэтона. Расчет показывает, что все платиноиды на поверхность Землю могли принести 160 металлических астероидов диаметром 20 км (агентство «AlphaGalileo», 19 сентября 2008 года). Платиноиды могли бы попасть на поверхность ив результате извержений, но пока мало кто знает их точное содержание в магме, чтобы разобраться с этой гипотезой. Еще один источник – космическая пыль, хотя единства мнений о ее объемах нет. По результатам спутниковых  измерений, на планету ежедневно падает 200—300 тонн пыли, и эти данные подтверждаются динамикой накопления иридия и платины в полярных ледниках. Метеорологические же данные дают лишь 5 тонн пыли в день (агентство «AlphaGalileo», 29 марта 2012 года).

Что такое иридиевая аномалия? При падении и последующем взрыве астероида тяжелые элементы должны ровным слоем выпасть на поверхности планеты. Так иридий со своей крайней химической инертностью стал серьезным индикатором древних космических катастроф — обогащенные им слои дают даты таких событий. Наиболее заметная иридиевая аномалия присутствует повсеместно на границе отложений мелового и третичного периодов. Вместе с другими свидетельствами эта аномалия позволила многим исследователям предположить, что причиной резкой смены биосферы в этот момент, и прежде всего гибели динозавров, послужило именно падение астероида. С этой гипотезой согласны далеко не все, тем более что существует проблема последних трех миллионов лет: именно столько отделяет датировки свежайших массовых захоронений динозавров от времени смены периодов – позднее такие находки крайне редки. В любом случае каждый, кто строит историю планеты, должен объяснять иридиевую аномалию.

Кстати, во время самой свежей и широко обсуждаемой в научном сообществе гипотетической катастрофы космического происхождения — похолодание позднего дриаса примерно 11 тысяч лет тому назад — иридиевой аномалии обнаружено не было. Впрочем, причиной этого похолодания считают столкновение не с астероидом, а с кометами, в которых иридия по определению быть не должно.

Зачем иридий нужен людям? Из этого металла в чистом виде делают тигли для выращивания качественных монокристаллов для лазеров: благодаря высокой химической инертности и жаростойкости такой тигель не реагирует с помещенным в него содержимым. Впрочем, изготовление электрических контактов из сплава платины с иридием до недавнего времени оставалось основным применением этого металла, поэтому колебания спроса в электронной промышленности сильно влияют на его производство. Весьма интересное направление использования иридиевых электродов возникло сравнительно недавно – для электростимуляции нервов. При такой операции в мозг организма вводят электрод и с его помощью решают какую-то проблему. Например, электрический сигнал, подаваемый в определенную область мозга пациента с болезнью Паркинсона на частоте 25—100 Гц, существенно уменьшает дрожание конечностей. Схожим способом врачи пытаются лечить эпилепсию, хроническую боль и шизофрению («Parkinson’s Disease», 2011, 414682, doi:10.4061/2011/414682, полный текст). Другое использование вживляемых в мозг микроскопических электродов – создание протезов глаза и слухового аппарата. Во всех этих случаях помимо химической инертности электрод должен передавать большое количество электричества. Гибкий полимерный электрод диаметром в несколько десятков микрон и с микронным покрытием из оксида иридия оказывается несравнимо лучше для этой цели, чем стальной или платиновый («IEEE Transactions Biomedical Engineering», 2009, 56, 1, 6–14; doi: 10.1109/TBME.2008.926691).

Как его применяют в современной химии? Подобно всем платиноидам, иридий – отличный катализатор, но из-за редкости этого металла и высокой цены его применение ограничено. Однако если судить по научным публикациям последних пятнадцати лет (обзоры этих работ см., например, в «Organic and Biomolecular Chemistry», 2012, 10, 3147–3163; doi: 10.1039/C2OB07086C; «Topics in Organometallic Chemistry» 2011, 34, 1, 107–138; doi: 10.1007/978-3-642-15334-1_5), для иридиевых катализаторов найдена уникальная и чрезвычайно важная область использования. Речь идет о синтезе сложных органических соединений из простейших, таких, как низшие олефины, с образованием новых С-С связей, конструированием сложных углеродных скелетов и широчайшими возможностями введения разнообразных функциональных групп. Единственным дополнительным реагентом в этих процессах выступает водород, и при этом не образуется никаких побочных продуктов – блестящий образец «зеленой химии». Считается, что такие процессы могут быть востребованы, если отказаться от ископаемого сырья для органического синтеза и перейти на сырье возобновляемое, полученное из ныне живущих растений.

Сейчас трудно представить себе органический синтез без металлокомплексных палладиевых катализаторов, не случайно эти работы были отмечены в 2010 году Нобелевской премией по химии. Вполне возможно, что в будущем им на смену придут катализаторы на основе комплексов иридия.

Другое направление связано с созданием систем искусственного фотосинтеза, которые должны обеспечить человеку прямое преобразование солнечного света в топливо или какие-то другие полезные органические соединения. Главным его этапом служит окисление воды, то есть превращение двух молекул H₂O в кислород, четыре иона водорода и четыре электрона, которые впоследствии можно употребить на восстановление углекислого газа или еще как-нибудь. В качестве окислителя воды был найден четырехвалентный церий, например, в составе нитрата аммония, а вот хороший, стабильный после растворения в воде катализатор найти долго не удавалось. Оказалось, что с этой работой справляется комплекс на основе хлорида иридия («Journal of the American Chemical Society», 2009, 131, 25, 8730–8731; doi: 10.1021/ja901270f): в течение недели он беспрепятственно разлагал воду, производя множество кислородных пузырьков. Впрочем, это не единственный подход к решению задачи искусственного фотосинтеза.

Какую роль сыграл иридий в открытии метода мессбауэровской спектроскопии? Именно на изотопах Ir-191 Рудольф Мёссбауэр в 1958 году и обнаружил эффект, который лег в основу метода (см. «Химию и жизнь», 1966, № 8). Он изучал особенности возбуждения ядер гамма-лучами. В качестве их источника были взяты возбужденные атомы иридия, испускавшие гамма-кванты, а мишенью служил невозбужденный образец, который часть из них поглощал. Мёссбауэр считал, что охлаждение, снижающее амплитуды колебаний атомов, должно приводить к уменьшению поглощения гамма-квантов, ведь чем меньше колебания, тем меньше вероятность у атома оказаться на пути кванта. А получилось наоборот. Попытка объяснить аномалию и привела к открытию явления резонансного поглощения гамма-лучей. Благодаря ему химики и физики получили чрезвычайно чувствительный метод изучения строения вещества.

Зачем нужен радиоактивный иридий? Изотоп Ir-192, испускающий гамма-лучи, давно служит для радиотерапии прежде всего рака груди и предстательной железы. Гамма-лучи опасны, поскольку они глубоко проникают в тело человека, повреждая здоровые ткани. Однако если злокачественные клетки оказываются распределенными по всему объему органа, для их уничтожения, после вырезания основной опухоли, приходится применять своеобразное оружие массового поражения. Медик же должен выбрать, что приведет к меньшим побочным последствиям: облучение или химиотерапия. Зачастую выбор оказывается в пользу внедрения ампулы с радиоактивным элементом. Иногда, на ранних стадиях, обходятся и без хирургической операции, налагая радиоактивный препарат на поверхность органа. В этом случае нужен именно источник гамма-лучей, поскольку бета- или альфа-лучи в глубь органа проникнуть не могут. Период полураспада иридия-192 – 72 дня.

Как из иридия хотят создать память? Устройства флеш-памяти внесли немалый вклад в информационную революцию, обеспечив каждого желающего компактным средством хранения текстов, картинок или музыки. Однако нет в мире совершенства: всякому хочется иметь флешку большого объема при сохранении ее размера. Этому уже начинают мешать физические ограничения, в частности размер важного элемента флеш-памяти – транзистора с плавающим затвором, способным хранить помещенный в него электрический заряд на протяжении десятилетий. Есть мнение, что уменьшить его размер можно, применив пленку из кремния, содержащую металлические нанокристаллы.

Соответствующий металл должен обладать двумя качествами: хорошо удерживать свои электроны и обладать высокой жаростойкостью, поскольку элементы памяти при изготовлении нагревают до 900° С. Наметившиеся было претенденты — никель и вольфрам — не смогли проявить необходимый комплекс свойств. А вот иридий сумел («Applied Physics Letters», 2010, 97, 14, 143507; doi: 10.1063/1.3498049). Поскольку расход нанокристаллов металла на одну микросхему ничтожен, исчисляется квадрильонными долями миллиграмма, возможно, эта идея сможет реализоваться в новых устройствах. И тогда чуть ли не у каждого в кармане будет лежать пусть ничтожный, но кусочек космического металла — иридия.