Благородные металлы: список, свойства и применение

Благородные металлы — группа редких химических элементов, которые остаются стабильными продолжительное время при взаимодействии с агрессивными элементами, например, кислородом, без проявления на своей поверхности следов коррозии или других нежелательных химических реакций. В мире принято относить к этой категории: медь (Cu), серебро (Ag), золото (Au), платина (Pt), палладий (Pd), иридий (Ir), осмий (Os), рутений (Ru), родий (Rh) и рений (Re).

Общие сведения и история происхождения

Ранняя история золота окутана мифами. Из-за своего цвета, золото связывали с солнцем, оно играло важную роль в религиозных церемониях древних цивилизаций. Древние летописи содержат интригующие легенды о царе Мидасе и Золотом руне. Даже сегодня духовные традиции многих народов приписывают золоту особые очищающие и исцеляющие силы. В древнем Египте только фараонам разрешалось украшать себя золотом.

Еще в 3000 году до нашей эры египтяне отливали золотые слитки и ставили на них штампы с именем фараона. Около 550 г. до н.э. лидийский царь Крез стал первым, кто ввел монеты из чистого золота. К 4 веку до н. э. золото добывали на территориях юго-восточной Европы, Индии и Африки и использовали для чеканки монет и украшений.

Как и история золота, история платины начинается в Египте.  Египтяне более 3000 лет назад создавали золотые украшения инкрустированные платиной. Около 100 лет  до н.э. коренные жители Южной Америки использовали платину для создания металлических носовых колец и других церемониальных предметов. Когда испанские конкистадоры захватили эти земли в 16-м веке в поисках золота, они практически  не обращали внимания на платину, которую считали плохим металлом, потому что с ним было трудно работать.

Шведский ученый Теофил Шеффер объявил платину драгоценным металлом только в 1751 году. В 1783 году французский химик Франсуа Шабано открыл способ ее очистки. В Нью-Йорке начали использовать платину в ювелирных украшениях. С началом Второй мировой войны Pt  перестала  быть доступной для ювелиров. Правительство США объявило его стратегическим металлом и запретило его использование во всех невоенных целях.

В послевоенные годы  сильный спрос  на белое золото открыл новую ювелирную эпоху для металла . Сегодня он  является предпочтительным в Японии, а в США занимает более 40 процентов рынка обручальных колец. При этом только 4 % мировой платины используется для производства монет и слитков, остальной объем используется в промышленности.

Серебро на протяжении тысячелетий использовалось для ювелирных украшений, монет, предметов культа и посуды. Первые крупные центры добычи серебра и ремесленного производства из него были в Турции и Греции.

Виды и свойства благородных металлов

Благородные металлы играют важную роль в широком спектре технологий. Они соответствуют группе  переходных металлов периодической таблицы Менделеева. Перечень благородных металлов:

1. Медь (Cu) довольно распространенный и дешевый цветной металл, какой обладает превосходной электропроводностью и теплопроводностью. Она широко используется в линиях электропередач, сантехнике и для изготовления бытовой посуды. Медицинское применение меди — использование в качестве антибиотиков, противогрибковых и антимикробных агентов.
2. Серебро (Ag) обладает хорошей электропроводностью, химической стабильностью, каталитической активностью и антимикробными свойствами. Поэтому используется для улучшения микробного качества и характеристик питьевой воды. Основными источниками Ag являются связанные элементы при добыче медных, медно-никелевых, Au, свинцовых и свинцово-цинковых руд, добываемых в России, Канаде, Мексике, Перу, Австралии и США.
3. Золото (Au), обладает исключительной химической стабильность и хорошей электропроводностью и может использоваться для надежных контактов в высокоточных приборах. Исторически, накопление золота людьми свидетельствовало о богатстве. Это самый ковкий из драгоценных металлов и поэтому может быть обработан с помощью простых инструментов при формировании сложных форм.
4. Платина (Pt) менее распространена, чем Cu, Au или Ag, но в истории драгоценных металлов она занимает более почетное место. Она пластичная и податливая, но плотнее и тяжелее в обработке, чем серебро и золото. В природе встречается очень редко. Металл широко используется в ювелирных изделиях, приборах для лабораторного использования и во многих ценных промышленных изделиях, включая термопары и противоопухолевые препараты. Он также используется для электрических контактов, устойчивых к коррозии устройств и в стоматологии. Pt также дает свое название отдельному подмножеству элементов, известному, как платиновая группа, в которую входят Ru, Rh, Pd, Os, Ir.
5. Палладий (Pd), представляет собой серебристо-белый металл, его часто можно найти в отложениях с Pt, Ni и Cu. Pd устойчив к коррозии, а его сплавы используются в ювелирном деле как «белое золото». Одним из отличительных свойств Pd является его огромная способность поглощать водород в соотношении около 900: 1 по объему, что делает его отличным катализатором реакции гидрирования и дегидрирования.
6. Иридий (Ir) представляет собой серебристо-белый металл с высокой устойчивостью к коррозии и плотностью 22,55 г/см3. В природе встречается довольно редко, и зачастую с другими драгоценными металлами. Как металл, он неработоспособен, но имеет широкое применение в космических компонентах и специальных свечах зажигания при сплавлении с Pt.
7. Осмий (Os) входит в группу Pt и часто встречается в его рудах. Как и Ir, он также очень редкий и имеет высокую плотность 22,58 г/см3 и высокую Т плавления 3000 C. Хотя Os является неработоспособным металлом, сплавы Os-Pt тверже Pt и часто используются в специальном оборудовании. Его оксид OsO 4 довольно токсичен для дыхательной системы человека.
8. Рутений (Ru) встречается в качестве второстепенного компонента руд Pt, химически инертен и имеет серебристый цвет. Ru имеет электронную конфигурацию внешней оболочки [Kr] 4d7 5s1, что делает его более похожим на Rh, Au и Pt. На уровне концентрации менее 1% Ru может повысить твердость сплавов Pt и Pd и коррозионную стойкость титана (Ti). Встречается в суперсплавах, работающих при экстремально высоких температурах, например, в турбинах реактивных двигателей.
9. Родий (Rh) – твердый, серебристый переходный металл, устойчивый к коррозии и очень инертный. Один из наиболее редких на Земле. Обладает высокой отражательной способностью и долговечностью. Как объемный металл, он в основном используется. как легирующий агент для твердости Pt и Pd. Такие сплавы идут в обмотках печей, элементах термопар и для изготовления втулок при производстве стекловолокна. Добавление Rh увеличивает как рабочую температуру, так и механические свойства материала.
10. Рений (Re) обладает температурой плавления, которую превосходят только вольфрам W и углерод C. Это плотный металл с бело-серебряным оттенком. Re чаще добывается вместе с Мо, чем с Pt. Несмотря на то, что он не относится к платиновой группе, он имеет аналогичные коррозионно-стойкие и высокотемпературные легирующие свойства. Re является более пластичным при низкой температуре и более стабильным при высоких, что также позволяет ему противостоять электронным ударам во время генерации рентгеновских лучей и усиливать термопары при экстремальных температурах.

Добыча и обработка

На долю продуктов горнодобывающей промышленности приходится 70-85% от общего объема новых поставок благородных металлов, а остальная часть получается при переработке имеющихся металлов.

Самым крупным производителем золота в мире по результатам 2019 года является Китай. В общей сложности азиатская страна добывает 420 тонн золота из рудников. За Китаем следует Австралия, добывающая 330 тонн золота и на третьем месте Россия с 242 тоннами.

Ожидается, что мировая добыча золота вырастет в 2023 г, на 2,5%, достигнув 132.1 млн. унций Значительное увеличение добычи золота в этот период планируется и в России. На золотодобывающем производстве  Наталка  в Магаданской области планируют увеличить производство на 300 унций дополнительно к достигнутым объемам 2019 года.

Мексика и Перу — две испаноязычные страны на американском континенте, которые производят серебра больше всех в мире. Производство серебра в 2019 году в мире составило 27 000 метрических тонн и значительно возросло по сравнению с 20 800 метрических тонн в 2005 году.

В 2019 году тремя ведущими странами-производителями серебра в мире были Мексика -196,6 млн. унций, Перу -144,9 млн. унций и Китай -114,9 млн. унций.

По итогам 2019 г. добывающие компании России получили 1119 т или 39.4 млн. унций серебра, обеспечив значительный ежегодный рост добычи.

Крупнейшими производителями платины являются Южная Африка и Россия, на долю которых приходится 89% мировых запасов, оцениваемых примерно в 69 000 метрических тонн. Около 95 процентов, находится в земной коре Южной Африки. Дальше идут Россия, Соединенные Штаты и Канада.

Платина в большинстве случаев является побочным продуктом медных и никелевых рудников и нефтеперерабатывающих заводов. Южная Африка производит около 130 тонн платины, а Россия, около 22 метрических тонн, Соединенные Штаты – 3.6 метрической тонны.

Сплавы благородных металлов

Изящные украшения создаются из драгоценных металлов, но чаще, из их смесей, называемых сплавами. На сегодня имеется множество различных сплавов, специалистами постоянно разрабатываются новые, с уникальными свойствами.

Список благородных сплавов:

• 24-каратное желтоватое золото, уровень твердости 2.5, состав сплава: серебро, медь, цинк, никель, палладий.
• 18-каратное желтоватое золото, уровень твердости 2.75, состав сплава: серебро, медь, цинк, никель, палладий.
• 14-каратное желтоватое золото, уровень твердости 3-4, состав сплава: серебро, медь, цинк, никель, палладий.
• Белое золото, уровень твердости 2.8-4.0, состав сплава: серебро, палладий, никель.
• Серебро, уровень твердости 2.5 состав сплава.
• Платина, уровень твердости 3.5, состав сплава: рутений, иридий, платина.
• Палладий, уровень твердости 4.5, состав сплава: рутений, иридий.

Сферы применения

Драгоценные и благородные металлы используются в широком диапазоне, как в низких концентрациях в смеси веществ, таких как сплавы или в соединениях, таких как оксиды.

Антикоррозийные свойства золота, безстатическая электрическая проводимость позволяет использовать его при производстве смартфонов, продажи которых ежегодно растут. Оно также используется в электронных разъемах, требующих повышенной прочности и надежной передачи. Обычно они изготовлены из других металлических сплавов, которые затем гальванизируют золотом, чтобы противостоять окислению.

Серебро имеет самое низкое контактное сопротивление и самую высокую электрическую и теплопроводность среди металлов, что делает его необходимым для компонентов, используемых в зеленых технологиях: панелях солнечных батарей, в печатных платах и в некоторых типах батарей, когда требуемая скорость проводимости превышает скорость, которую может обеспечить медь. Чувствительность соединений серебра к свету используется в фотографии в рентгеновских и других медицинских целях.

Платина (Pt) также находит широкое применение. Сегодня 40% платины, 80% палладия (Pd) и 80% родия (Rh) используются в каталитических нейтрализаторах для легковых автомобилей, автобусах, грузовых автомобилях и других промышленных процессов. Эти элементы преобразуют выбросы из камеры сгорания в менее вредные газы.

Большая часть рутения (Ru) используется в электронной промышленности для чипов, резисторов и электрических контактов. Рений имеет очень специализированное применение, например, в качестве добавки к сплавам на основе вольфрама и молибдена для изготовления сверхтонких нитей и компонентов рентгеновских аппаратов. Используется в сплаве платины для нитей в масс-спектрометрах и других научных приборах.

Маркировка драгоценных изделий

Маркировка на изделия из драгоценных металлов наносится в виде “пробы”. Это выполняется, для того чтобы контролировать расход и содержание металлов в разнообразных сплавах. По нему устанавливают, какая доля благородного металла содержится в нем. Все пробы регламентируются и контролируются государством.

Сегодня особенно широко используются 2 метода пробирования — каратная германская и метрическая система. В нашей стране с 1927 года применяется метрическая система. В ней просто разобраться: цифра обозначает число грамм чистого благородного металла в 1 кг сплава. Оттиск клейма устанавливаются на внутреннюю грань кольца, на застежке или на внешней поверхности ушка у кулона.