Благородные металлы: от добычи до применения

Описание благородных металлов

Благородными металлами принято называть группу элементов, состоящую из золота, серебра и шести металлов платиновой группы – платины, осмия, иридия, рутения и родия. Золотом, серебром и платиной человек начал пользоваться в незапамятные времена, хотя исследования платины как химического элемента начались только в конце XVIII века. Позже ученые узнали о существовании остальных металлов, входящих в платиновую группу.

Благородные металлы и их сплавы отличаются от других подобных веществ высокой химической устойчивостью к воздействию агрессивных сред. Главным образом эти элементы выделяются стойкостью к окислению при взаимодействии с кислородом. Разнообразные физико-химические и механические характеристики обуславливают широкое распространение таких материалов в промышленности и их использование в различных бытовых целях, несмотря на дороговизну и редкость.

Золоту и серебру отведено место в I группе периодической системы элементов, разработанной Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Платиновая группа, а также железо, кобальт и никель входят в VIII группу в виде трех триад: Fe – Ru – Os; Co – Rh – Ir; Ni – Pd – Pt.

Группа благородных металлов включает в себя переходные элементы, которые располагаются двумя последовательными рядами, входя в V и VI периоды: с 44-й по 47-й номер – (Ru, Rh, Pd, Ag) и с 76-го по 79-й – (Os, Ir, Pt, Au).

Отличительной чертой золота и серебра является их относительная легкоплавкость. Эти два металла очень пластичны. Серебро обладает гораздо более высокими, чем у всех остальных элементов, теплопроводностью и электропроводностью, а золото по этим параметрам находится на третьем месте, уступая серебру и меди.

Всем платиноидам свойственна высокая температура плавления и кипения. Кроме того, они отличаются высокими механическими характеристиками, главным образом твердостью, которая у осмия, иридия и рутения близка к стали, прошедшей закалку.

Все благородные металлы химически устойчивы. По этому признаку их можно расположить следующим образом: наименьшая устойчивость свойственна серебру, палладию и осмию, далее по возрастающей идут устойчивые – платина и золото, очень устойчивые – рутений и родий и самый устойчивый из всех – иридий.

Золоту и серебру характерна устойчивость к воздействию сильных щелочей. Благородным металлам свойственна способность, растворяясь, образовывать комплексные соединения, которые с легкостью можно восстановить до металла.

Физические и химические свойства благородных металлов

Таблица атомных характеристик благородных металлов (БМ):

Для всех металлов этой группы принято условное разделение на легкие и тяжелые. Благодаря близким атомным радиусам они легко сплавляются между собой. Этим обусловлено и то обстоятельство, что в руде обычно присутствуют твердые растворы благородных металлов: осмий – иридий; золото – палладий; платина – осмий – иридий и палладий – платина.

Отличительными признаками благородных металлов служат высокий потенциал ионизации и электродный потенциал.

Благодаря высокой плотности этих элементов и их присутствию в руде в виде самородков возможна добыча с использованием гравитационных методов. По тугоплавкости первое место принадлежит осмию, а легче всего плавятся золото и серебро.

Кроме палладия, серебра, платины и золота, которые выпускаются слитками, благородные металлы поставляются в порошках. Несмотря на высокую температуру кипения БМ, в ходе пирометаллургической переработки осмий и серебро уносятся в газовую фазу, образуя летучие окислы и соединения: OsO4, RuO4 и AgCl. Как уже говорилось, серебро и золото отличает очень высокая пластичность.

В виде тонкодисперсных порошков (чернь) платиноиды отлично адсорбируют газы:

• 1u Pd – 900 u H2.
• 1u Pt – 100 u O2.

Благодаря этой особенности металлы платиновой группы используют как катализаторы.

Ниже приведена таблица физических свойств БМ:

Применение благородных металлов

Благородные металлы широко применяются в качестве материала для изготовления припоя, электрических контактов, термометров сопротивления, термопар, фильеров для искусственных волокон, постоянных магнитов, нагревателей, лабораторной посуды, антикоррозионных покрытий, медицинского инструмента, катализаторов, ювелирных и многих других изделий для использования в промышленности и в быту.

Благородные металлы нашли широкое применение в производстве множества разнообразных составов, которые используют химическая и фармакологическая промышленность.

Золото используют:

1. в качестве государственного резерва и частных накоплений;
2. как страховые и резервные фонды банков;
3. в космической, оборонной и электронной промышленностях;
4. в производстве катализаторов;
5. при изготовлении ювелирных изделий;
6. в медицине.

Серебро применяют для изготовления:

1. кино- и фототехники (благодаря высокой светочувствительности);
2. припоев, резисторов для различных приборов (благодаря высокой электропроводности);
3. аккумуляторных батарей;
4. катализаторов;
5. медицинских препаратов (благодаря бактерицидным свойствам).

Металлы платиновой группы используют в:

1. фильтрах для очистки выхлопных газов;
2. очистных сооружениях;
3. нефтехимической и химической промышленности;
4. стекольной промышленности, в производстве вискозы;
5. электротехнике;
6. космической промышленности, при изготовлении защитных покрытий.

Металлургия благородных металлов

Добыча благородных металлов производится из исходного сырья (руд, промежуточных продуктов, вторичных сплавов и т. д.), где содержатся их незначительные количества. В ходе первичной переработки бедного сырья конечные продукты обогащают БМ.

Попутное извлечение благородных металлов

Способы переработки концентратов и промпродуктов (Pb, Hg, Cu, штейн, шпейза):

• Амальгамация. Этот метод также используют для обработки галоидных соединений серебра и золота.
• Получение благородных металлов в ходе производства меди из анодного шлама.
• Концентрирование золота и платины в анодном шламе в ходе электролиза чернового серебра.
• Из чернового свинца в шахтных печах.
• Осаждение цинком из анодного шлама по методу Паркса или электролиз.
• Дистилляция, купелирование свинца, разделение.

Гидрометаллургия

Для получения благородных металлов высокой чистоты применяют методы гидрометаллургии, с которыми часто совмещается переработка промпродуктов. Для извлечения БМ переводят в растворенное состояние. В случае невозможности прямого извлечения прибегают к описанным выше способам переработки исходного сырья.

Импрегнирование (впитывание)

Этот метод извлечения основан на способности свинца разлагать сульфиды серебра и выступать коллектором:

Ag2S + Pb → PbS + 2Ag;

Ag2S + PbO → 2Ag + 2Pb + SO2.

В состав иногда добавляют анодный шлам.

Купелирование

В основе этого старого метода пирометаллургической обработки лежит легирование смеси свинцом, поглощающим примеси, и последующая отгонка.

Рафинирование серебра

Серебро добывают главным образом из полиметаллической руды, реже – из чисто серебряной.

В нашей стране для добычи этого металла используется комплексная переработка медной и свинцово-цинковой руды.

Рафинирование серебра производится в два этапа:

• черновое серебро добывают методом купелирования;
• в смесь для последующего электролиза добавляют H2SO4 или HNO3, который отделяет золото от платины и серебра.

Электролиз серебра

Способ Мебиуса. Катод – из хромоникелевой стали. Анод – рафинированный Ag. Анодный шлам содержит другие благородные металлы.

Способ Балбах – Тума. Катод – из графита. Анод – рафинированное серебро в пластинах.

Аффинаж: серебро растворяют в горячем концентрате серной кислоты; Au, Pt выпадают в осадок; Cu, Pb, Bi – растворяются.

2Ag + 2H2SO4 → Ag2SO4 + 2Н2O + SO2.

Квартаж: частичное растворение платины и палладия азотной кислотой.

Рафинирование золота

Электролиз. Исходное черновое золото отливается в аноды. Процесс протекает в смеси золотохлористоводородной и соляной кислот. В анодный шлам переходят Ag, Ru, Ir, а платина может переходить в электролит.

Процесс Миллера. Обработка расплава чернового золота кислородом без присутствия платины. Хлорирование Cu, Pb, Zn, Ag с образованием летучих соединений.

Получение металлов платиновой группы

Платиновые металлы осаждаются фракциями. Осадок расплавляется с кислыми солями серной кислоты или NaOH и NaNO3 с последующим выщелачиванием. При многократном термическом разложении и восстановлении водородом получают БМ в губчатом состоянии. Для его перевода в компактный вид используют плавку или ковку.

Разведанные запасы руды благородных металлов истощаются, что заставляет биржи постоянно поднимать цену, а геологов активно заниматься разведкой новых месторождений.

Сырье для получения золота и способы его переработки

Металлическое золото получают из золотых руд, сульфидных полиметаллических руд и вторичного сырья – лома и отходов.

Различают два вида золотосодержащих месторождений – россыпные и коренные.

Полиметаллические руды могут содержать золото в составе пирита, халькопирита и галенита. Большую часть этого металла находят в самородках разной формы и состава, размер которых, как правило, не выше 100 нм. Процентная доля золота в руде может быть самой разной, но чаще всего она невысока и выражается в граммах на тонну.

Рентабельными признаются россыпные руды с минимальным содержанием золота порядка 0,15 граммов на одну тонну.

Коренные месторождения считают рентабельными при содержании золота от 3 до 5 г/т. В наиболее богатой руде может содержаться до нескольких сот граммов на одну тонну.

Руда, содержащая от 5 до 6 г/т, считается пригодной для промышленной добычи золота при степени обогащения свыше 106 раз.

Руду перерабатывают в два этапа:

• концентрирование руд (концентрат может содержать от 3 до 95 % золота);
• обработка концентрата или аффинаж.

Самое крупное в мире месторождение Witwatersrand, на котором добывается до 80 % золота, находится в Южной Африке.

Открытие первого в нашей стране рудника состоялось в 1874 году.

На алтайских месторождениях и в бассейне реки Енисей добывают порядка четырех тонн золота в год, на Урале – около 12 т, в Забайкалье – 20 т; в Якутии –28 т; в Магадане – от 40 до 45 т; в Приморье – около 11 т.

Роль благородных металлов в истории человечества сложно переоценить. Мы используем их повсеместно. Трудно представить себе, как изменится наша жизнь, когда мы исчерпаем их запасы.