إريديوم

التطبيقات الكهربائية والإلكترونية

علاوةً على ذلك، يُستغل الإيريديوم على نطاق واسع في الحقول الكهربائية التي تتطلب ثباتية تشغيلية قصوى تحت إجهاد حراري وكيميائي مرتفع:

ومن ناحية أخرى، أطراف شمعات الاحتراق عالية الأداء: يُفضل استخدام الإيريديوم في صناعة أقطاب شمعات الاحتراق الحديثة نظراً لمقاومته الممتازة للتآكل بالشرر الكهربائي والتآكل الغازي، مما يطيل من عمرها الافتراضي ويضمن كفاءة الاحتراق.

وفي هذا الصدد، الأنودات المطلية بأكسيد الإيريديوم: يُستعمل أكسيد الإيريديوم الرباعي كمادة طلاء نشطة كهركيميائياً على أقطاب التيتانيوم (المعروفة بـ الأنودات المستقرة أبعادياً DSA)، وتُستعمل بكثافة في عمليات التحليل الكهربائي الصناعي، مثل إنتاج الكلور والقلويات الصناعية (وخاصة هيدروكسيد الصوديوم)، وتوليد الهيدروجين؛ لما يوفره الطلاء من خفض في الجهد الزائد ومقاومة استثنائية للتآكل الحمضي.

من جانب آخر، نقاط التلامس الكهربائية والأقطاب: تُصنع منه نقاط التلامس في الأنظمة الحساسة لضمان استمرارية التوصيل دون تأكسد السطح، كما يُستعمل في الأقطاب الطبية المزروعة للأغراض العصبية والطبية الحيوية لاستقراره داخل الجسم البشري.

البواثق والمكونات عالية الحرارة

في هذا الإطار، بسبب درجة انصهاره الفائقة وخموله ضد المصاهير السيليكاتية، تُصنع من الإيريديوم النقائي بواثق مخبرية خاصة (Crucibles) تُستعمل لنمو بلورات أحادية البلورة عالية النقاء، مثل بلورات الإيتريوم-ألومنيوم-غارنيت (YAG) وغادولينيوم غاليوم غارنيت (GGG). وتُستعمل هذه البلورات في تطبيقات الليزر والبصريات الإلكترونية المتقدمة؛ حيث يمكن لبواثق الإيريديوم الصمود والعمل بأمان عند درجات حرارة تتجاوز 2100 درجة مئوية دون أن تلوث البلورات النامية.

التوزيع الكوني والشذوذ الجيولوجي

ومن جهة أخرى، في عام 1980، اقترح فريق بحثي بقيادة عالم الفيزياء لويس ألفاريز وابنه الجيولوجي والتر ألفاريز أن هذا التركيز غير المعتاد من الإيريديوم قد يكون ذا أصل غير أرضي، مرجحين أنه نتج عن اصطدام كويكب أو مذنب ضخم بالأرض. وقد عُرفت هذه الفرضية لاحقًا باسم فرضية ألفاريز، وأصبحت من أكثر النماذج قبولًا في الأوساط العلمية لتفسير انقراض الطباشيري-الباليوجيني، الذي أدى إلى اختفاء الديناصورات وعدد كبير من الكائنات الحية في ذلك الزمن الجيولوجي.

وفي هذا السياق، في المقابل، طُرحت تفسيرات بديلة ترى أن شذوذ الإيريديوم قد يكون ذا أصل بركاني، حيث تشير بعض الدراسات إلى أن النشاط البركاني واسع النطاق قد يساهم في نقل كميات من العناصر النادرة، بما في ذلك الإيريديوم، من باطن الأرض إلى السطح. ويستند هذا الطرح إلى حقيقة أن لب الأرض والوشاح العميق غنيان بعناصر محبة للحديد، بما فيها الإيريديوم، وأن بعض البراكين النشطة قد تطلق آثارًا ضئيلة منه في انبعاثاتها، مثل بركان بيتون دي لا فورنيز في جزيرة ريونيون.

في هذا الإطار، يرتبط الإيريديوم بأحد أهم الأدلة الجيوكيميائية في تاريخ الأرض، والمتمثل في طبقة حدود حدود الطباشيري-الباليوجين (K–Pg boundary)، والتي تعود إلى نحو 66 مليون سنة، وتمثل الفاصل بين العصر الطباشيري وعصر الباليوجين. وتُعرف هذه الحدود بوجود طبقة رقيقة من الرواسب الطينية تحتوي على تركيز مرتفع بشكل غير طبيعي من عنصر الإيريديوم مقارنةً بمستوياته المعتادة في القشرة الأرضية، وهي الظاهرة التي يُطلق عليها اسم شذوذ الإيريديوم.

كذلك، وقد تعززت هذه الفرضية لاحقًا باكتشاف بنية جيولوجية ضخمة مدفونة تحت سطح الأرض في منطقة شبه جزيرة يوكاتان بالمكسيك، تُعرف باسم فوهة تشيكشولوب، ويُعتقد أنها تمثل موقع الاصطدام المرتبط بحدث الانقراض، مع تطابق عمرها الجيولوجي على وجه التقريب مع زمن شذوذ الإيريديوم المسجل عالميًا.

الخواص الفيزيائية

في هذا الإطار، الإيريديوم عنصر كيميائي من معادن البلاتين، يتميز بلون أبيض فضي يميل إلى الاصفرار الخفيف، ويشبه البلاتين في مظهره العام. وهو معدن شديد الصلابة والهشاشة في الوقت نفسه، ويملك درجة انصهار مرتفعة جدًا تُعتبر من بين الأعلى في العناصر المعروفة، كما أنه غير قابل للتشغيل الميكانيكي بسهولة ويُستعمل غالبًا في صورة مسحوق معدني أو سبائك خاصة.

من جهة ثانية، يحافظ الإيريديوم على خصائصه الميكانيكية في الهواء وحتى عند درجات حرارة مرتفعة تصل إلى نحو 1600 درجة مئوية، كما يتميز بدرجة غليان عالية تجعله من بين أعلى المعادن في هذه الخاصية.

ومن ناحية أخرى، تبلغ كثافة الإيريديوم نحو 22.56 غ/سم³، وهي قريبة جدًا من كثافة الأوزميوم (22.59 غ/سم³)، مما جعلهما يتنافسان تاريخيًا على لقب أكثف العناصر المعروفة، إلا أن القياسات الحديثة أكدت أن الأوزميوم يتفوق بفارق طفيف جدًا.

ومن ناحية أخرى، يُعد معامل المرونة للإيريديوم من القيم المرتفعة بين المعادن (ثاني أعلى قيمة بعد الأوزميوم)، ويعكس ذلك مقاومة كبيرة للتشوه، إلا أن نسبة بواسون المنخفضة تشير إلى محدودية قدرته على التمدد المرن، مما يزيد من صعوبة استخدامه في التطبيقات الميكانيكية الدقيقة.

الحفز الكيميائي الصناعي

ومن ناحية أخرى، يُعد الإيريديوم ومركباته التناسقية من أهم الحوافز في الصناعات البتروكيماوية والكيمياء العضوية التخليقية؛ حيث يتميز بكفاءة وانتقائية عالية في توجيه التفاعلات المعقدة:

وعلى صعيد آخر، الهدرجة غير المتناظرة (Asymmetric hydrogenation): تُستعمل معقدات الإيريديوم اللامتناظرة، مثل حافز كرابتري (Crabtree's catalyst)، على نطاق واسع في صناعة الأدوية لهدرجة الروابط الثنائية غير المفعّلة، وتخليق الجزيئات ذات الكيرالية المحددة (Chiral molecules) بدقة عالية وثباتية ممتازة.

وعلى صعيد آخر، عملية كاتيفا (Cativa process): يُستعمل الإيريديوم بوصفه الحافز الرئيس في عملية كاتفيا لإنتاج حمض الأسيتيك (حمض الخليك) عبر كربلة الميثانول. وقد حلّت منظومة الحفز القائمة على الإيريديوم (المستندة إلى معقدات مثل [Ir(CO)2I2]−) بديلاً لمنظومة الروديوم القديمة (عملية مونسانتو)؛ نظراً لأن الحافز الإيريديومي يزيد من سرعة التفاعل، ويقلل من تكوين النواتج الثانوية، ويمنح استقراراً حرارياً أعلى في المحاليل المائية.

الخواص

في هذا الإطار، يتميز الإيريديوم بقساوة عالية وهشاشة ملحوظة، مما يجعل تشكيله وتشغيله في التطبيقات الهندسية التقليدية أمراً صعباً.

النظائر

من جهة ثانية، يمتلك الإيريديوم نظيرين طبيعيين يُعدّان مستقرين رصديّاً، وهما إيريديوم-191 (191Ir) وإيريديوم-193 (193Ir)، ويشكل النظير 193Ir النسبة الأكبر بوفرة طبيعية تبلغ قرابة 62.7%، في حين تبلغ وفرة النظير 191Ir النحو المتبقي البالغ 37.3%. وإلى جانب هذين النظيرين الطبيعيين، تم تخليق وتوثيق الكثير من النظائر المشعة الاصطناعية للإيريديوم والمصاوغات النووية، والتي تتراوح أعدادها الكتلتية بين 164 و 199.

ومن جهة أخرى، يُعد النظير إيريديوم-192 (192Ir) أشهر نظائر الإيريديوم المشعة وأكثرها استخداماً من الناحية العملية، حيث يبلغ عمر النصف له 73.83 يوماً، وينحل بشكل أساسي عبر انحلال بيتا (β-) إلى البلاتين-192، أو عبر التقاط الإلكترون إلى الأوزميوم-192. وتتميز فيزياء الإيريديوم النووية بوجود عدد كبير من المتماكبات النووية (Nuclear isomers) المثارة طويلة العمر؛ حيث يمتلك المتماكب إيريديوم-192m2 (192m2Ir) عمر نصف استثنائي يبلغ قرابة 241 سنة، مما يجعله المتماكب الأطول عمراً بين جميع النظائر المشعة للعنصر، يليه المتماكب إيريديوم-194m2 (194m2Ir) بعمر نصف يبلغ 171 يوماً. وتضمحل النظائر الأخف من النظائر المستقرة للإيريديوم غالباً عبر انحلال بيتا الموجب (β+) أو انحلال ألفا (α)، منتجةً نظائر الأوزميوم أو الرينيوم المقابلة.

الإنتاج والاستخلاص

في هذا الإطار، يُستحصل على الإيريديوم تجاريًا بوصفه منتجًا ثانويًا من عمليات تعدين وتنقية النيكل والنحاس، حيث تتركز عناصر مجموعة البلاتين ضمن المخلفات الناتجة عن هذه العمليات، وأثناء عمليات التنقية الكهربائية لهذين الفلزين، تترسب المعادن الثمينة مثل الذهب والفضة وعناصر مجموعة البلاتين، فضلًا عن السيلينيوم والتيلوريوم، في قاع خلية التحليل الكهربائي مكوّنة ما يُعرف بـ"وحل الأنود" (Anode slime)، وهو المصدر الرئيسي لاستخلاص هذه العناصر. ولفصل عناصر مجموعة البلاتين، يجب أولًا إذابتها في محلول عبر عدة طرق صناعية تعتمد على تركيب الخام وطبيعة الشوائب؛ حيث تتمثل الطريقة الأولى في صهر المزيج مع بيروكسيد الصوديوم Na₂O₂ متبوعًا بإذابته في الماء الملكي (Aqua Regia)، في حين تعتمد الطريقة الثانية على إذابة المزيج في خليط من غاز الكلور وحمض الهيدروكلوريك.

من جهة ثانية، وبعد إتمام عملية الإذابة، يُفصل الإيريديوم عن بقية معادن مجموعة البلاتين عبر ترسيبه على هيئة سداسي كلوروأيريدات الأمونيوم (NH₄)₂IrCl₆، أو عبر استخلاص أيوناته IrCl₆²⁻ باستخدام الأمينات العضوية في عمليات استخلاص سائل–سائل. وتُعد الطريقة الأولى امتدادًا للأسلوب الكلاسيكي الذي استعمله تينانت وولاستون في فصل عناصر مجموعة البلاتين، بينما تتميز الطريقة الثانية بإمكانية تطبيقها صناعيًا على نطاق واسع بوصفها عملية استخلاص مستمرة أكثر كفاءة. وفي كلتا الحالتين، يُختزل الإيريديوم باستخدام الهيدروجين عند درجات حرارة مرتفعة، لينتج المعدن على هيئة مسحوق أو إسفنج معدني يُعالج لاحقًا بتقنيات ميتالورجيا المساحيق.

التطبيقات

كذلك، تتمحور التطبيقات الصناعية والاستراتيجية للإيريديوم حول استغلال نقطة انصهاره المرتفعة للغاية، وخموله الكيميائي الاستثنائي تجاه الأحماض والمصاهير، فضلًا عن صلابته الميكانيكية العالية؛ مما يجعله مادة أساسية في بيئات التشغيل الفائقة القسوة.

الاستخدامات التاريخية

ومن ناحية أخرى، استُخدمت سبائك الإيريديوم–الأوزميوم في تصنيع أطراف أقلام الحبر نظرًا لـ صلادتها العالية ومقاومتها الكبيرة للتآكل، وقد مثّل ذلك أحد أوائل الاستخدامات الصناعية المهمة لسبائك الإيريديوم في القرن التاسع عشر؛ إذ بدأ استخدام الإيريديوم في التطبيقات الدقيقة منذ عام 1834، عندما استُخدمت سبائك تحتوي على البلاتين والإيريديوم في رؤوس الأقلام المعدنية لتحسين مقاومتها للاهتراء. وفي أواخر القرن التاسع عشر، وُظفت سبائك الإيريديوم–الأوزميوم كذلك في الأجزاء الدقيقة التي تتعرض للاحتكاك العالي، مثل فتحات التهوية (vent pieces) في المدافع، حيث أظهرت مقاومة استثنائية للتآكل حتى بعد آلاف الطلقات. وخلال القرن العشرين، أصبح مصطلح "نقطة إيريديوم" (Iridium point) شائعًا في أقلام الحبر التجارية، خاصة في رؤوس الأقلام، رغم أن الكثير من هذه الرؤوس لا تحتوي على الإيريديوم الخالص، بل على سبائك بديلة أو معادن أخرى مثل التنغستن، مع بقاء الاسم مستعملًا لأغراض تسويقية تقليدية.

السبائك الاستراتيجية والتجارية

وفي السياق ذاته، لا يُستعمل الإيريديوم في حالته النقية على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية بسبب هشاشته النسبية وصعوبة تشغيله ميكانيكياً، ولذلك يُضاف غالباً إلى البلاتين لتكوين سبائك تمتاز بصلابة أعلى ومقاومة ممتازة للتآكل والاستقرار الكيميائي. وتُعد سبائك البلاتين–الإيريديوم من أهم سبائك عناصر مجموعة البلاتين، إذ تجمع بين الخمول الكيميائي للبلاتين والمتانة الإضافية التي يمنحها الإيريديوم. وتُستعمل هذه السبائك في تصنيع المعدات المختبرية عالية الدقة والأقطاب الكهربائية والأجهزة الطبية المقاومة للتآكل، كما استُخدمت تاريخياً في بعض النماذج العيارية الدولية بفضل ثباتها الكيميائي ومقاومتها العالية للتغيرات البيئية. وتُسهم إضافة الإيريديوم إلى البلاتين في زيادة الصلابة ومقاومة الاهتراء الميكانيكي مع الحفاظ على درجة عالية من الاستقرار الكيميائي، وهو ما يجعل هذه السبائك مناسبة للتطبيقات العلمية والصناعية المتخصصة.

المؤشرات الاقتصادية والأسعار

إضافةً إلى ذلك، بلغ الإنتاج العالمي السنوي من الإيريديوم في مطلع القرن الحادي والعشرين (قرابة عام 2000) نحو 3 أطنان، أي ما يعادل قرابة 100,000 أونصة تروي (ozt)، وتشهد أسعاره تقلبات حادة في الأسواق العالمية؛ إذ بلغ سعر الأونصة نحو 440 دولارًا أمريكيًا في سنة 2007، ثم استقر بين 425 و460 دولارًا خلال الفترة من 2007 إلى 2009، قبل أن يرتفع متجاوزًا حاجز 750 دولارًا في عام 2010. ويُعزى هذا التذبذب السعري الحاد إلى محدودية العرض، وصغر حجم السوق العالمي، وتركز الإنتاج في عدد محدود من الدول، إضافة إلى حساسية أسواق معادن مجموعة البلاتين المرتفعة لـ المضاربات والتغيرات الصناعية.

التواجد

إضافةً إلى ذلك، يُعد الإيريديوم من أندر العناصر في القشرة الأرضية، إذ يقل تركيزه بدرجة كبيرة عن عناصر شائعة مثل الذهب والبلاتين، ويصنَّف مع الروديوم والروثينيوم ضمن أندر المعادن غير المشعة في الطبيعة؛ حيث يبلغ متوسط تركيزه في القشرة الأرضية مستويات ضئيلة جدًا تُقدَّر بنحو جزء واحد من المليار على وجه التقريب، مما يعكس ندرته الشديدة في الصخور السطحية. ويوجد الإيريديوم في الطبيعة غالبًا في حالته العنصرية الحرة على شكل حبيبات معدنية دقيقة، وعادةً ما يكون مرتبطًا أو مترافقًا مع البلاتين ضمن خامات مجموعة البلاتين. وتُعتبر مناطق جنوب إفريقيا من أهم مصادره عالميًا، إضافة إلى وجوده في أمريكا الشمالية وأمريكا الجنوبية وجزيرة تسمانيا وبعض مناطق اليابان، حيث يرتبط عادة بترسبات معادن مجموعة البلاتين في البيئات الجيولوجية النارية.

التدابير الوقائية

من جهة ثانية، يُعد الإيريديوم المعدني بنقاوته من العناصر ذات السمية المنخفضة جدًا، إذ يتميز بـ خمول كيميائي عالٍ وعدم تفاعله الحيوي مع أنسجة الجسم، كما أن وجوده في الكائنات الحية ضئيل للغاية؛ حيث يُقدَّر بنحو أجزاء في التريليون في الأنسجة البشرية. ومع ذلك، فإن مسحوق الإيريديوم قد يُشكل خطرًا في حال استنشاقه أو التعامل معه على شكل جسيمات دقيقة، حيث يمكن أن يسبب تهيجًا للجهاز التنفسي، كما أن بعض المساحيق المعدنية الدقيقة قد تكون قابلة للاشتعال في الهواء تحت ظروف معينة.

وصلات خارجية

ومن ناحية أخرى، أما نظير الإيريديوم المشع 192Ir فهو مصدر قوي لـ أشعة غاما، ويُعامل باعتباره مادة مشعة عالية الخطورة مثل باقي النظائر المشعة المستعملة في التطبيقات الطبية والصناعية، حيث سُجلت حالات تعرض عرضي مرتبطة باستخدامه في العلاج الإشعاعي الموضعي والتصوير الإشعاعي الصناعي. ويمكن أن يؤدي التعرض الخارجي لأشعة غاما عالية الطاقة المنبعثة من هذا النظير إلى زيادة خطر الإصابة بـ السرطان، إضافة إلى إمكانية حدوث حروق إشعاعية حادة أو متلازمة الإشعاع الحاد في حالات التعرض المرتفع، كما أن ابتلاع أو دخول النظائر المشعة للإيريديوم إلى الجسم قد يؤدي إلى تلف الأنسجة الداخلية، خصوصًا الجهاز الهضمي، نتيجة التعرض الإشعاعي المباشر، وقد تتركز بعض النظائر المثارة مثل 192mIr و194mIr في الكبد، مما يشكل خطرًا إشعاعيًا داخليًا مرتبطًا بإشعاعَي غاما و بيتا.

وفي هذا الصدد، علاوة على ذلك، تتوفر بيانات محدودة حول سمية مركبات الإيريديوم بسبب استخدامها بكميات صغيرة جدًا في المختبرات والصناعة، إلا أن بعض الأملاح القابلة للذوبان مثل هاليدات الإيريديوم قد تكون ضارة، سواء بسبب محتوى الإيريديوم نفسه أو بسبب الأيونات المصاحبة له، وبوجه عام، تُعد أغلب مركبات الإيريديوم ضعيفة الذوبان في الماء، مما يقلل من قدرتها على الامتصاص الحيوي داخل الجسم البشري.

المراجع

الخواص الكيميائية

كذلك، ومع ذلك يمكن أن يتفاعل في ظروف خاصة مع بعض الأملاح المنصهرة مثل سيانيد الصوديوم وسيانيد البوتاسيوم، وكذلك مع الأكسجين والهالوجينات خاصة الفلور عند درجات حرارة مرتفعة.

وفي السياق ذاته، عند تسخينه إلى درجات الاحمرار يتأكسد ليكوّن أكسيد الإيريديوم الرباعي IrO₂، الذي يتحلل عند درجات حرارة مرتفعة تقارب 1140 درجة مئوية.

إضافةً إلى ذلك، يُعد الإيريديوم من أكثر المعادن مقاومة للتآكل والخمول الكيميائي، إذ لا يتفاعل على وجه التقريب مع أغلب الأحماض بما في ذلك الماء الملكي، كما يقاوم التفاعل مع الكثير من المعادن المنصهرة والمواد السيليكاتية عند درجات الحرارة العالية.

تاريخ

وفي هذا الصدد، لم يتم التعرف على الإيريديوم كعنصر مستقل حتى عام 1803، عندما قام الكيميائي الإنجليزي سميثسون تينانت بدراسة بقايا غير قابلة للذوبان نتجت أثناء إذابة البلاتين في الماء الملكي، بالتعاون مع زميله ويليام هايد. وقد لاحظ تينانت أن هذه البقايا تحتوي على مادة مختلفة كيميائياً، وبعد سلسلة من التجارب على تفاعلها مع مواد كيميائية أخرى توصّل إلى أنها عنصر جديد، وأطلق عليه اسم "إيريديوم" نسبة إلى إيريس إلهة قوس قزح في الميثولوجيا اليونانية، في إشارة إلى تنوع ألوان مركباته.

وفي هذا السياق، يُعرف الإيريديوم بمقاومته الشديدة للتآكل والعوامل الكيميائية، وهو من أكثر العناصر خاملاً كيميائياً، ولهذا استُخدم في صناعة المعيار الدولي للطول (المتر) المحفوظ في باريس منذ عام 1898، المصنوع من سبيكة البلاتين والإيريديوم نظراً لاستقراره العالي وعدم تأثره بالظروف البيئية.

ومن ناحية أخرى، ارتبط اكتشاف الإيريديوم بتطور دراسة البلاتين ومعادن مجموعة البلاتين الأخرى، إذ كانت خاماته الطبيعية تحتوي على كميات ضئيلة من هذه العناصر مختلطة ببعضها، بما في ذلك الإيريديوم. كما وُجدت سبائك البلاتين القديمة المستعملة في بعض الحضارات الإفريقية مثل إثيوبيا في العصور الوسطى وكذلك في ثقافات أمريكا الجنوبية قبل الاستعمار الأوروبي، وكانت تحتوي على آثار من معادن مجموعة البلاتين دون تمييز بينها.

علاوةً على ذلك، وصل البلاتين إلى أوروبا خلال القرن السابع عشر من مناطق كولومبيا في أمريكا الجنوبية عبر المستكشفين الإسبان، حيث عُرف آنذاك باسم "بلاتينا" أي "الفضة الصغيرة"، بسبب صعوبة تمييزه عن الفضة في بدايات التعرف عليه.

المركبات

من جهة ثانية، تتميز كيمياء الإيريديوم بارتفاع مقاومته الكيميائية مقارنة بأغلب الفلزات الانتقالية، ويظهر ذلك في محدودية تفاعله مع الكثير من العوامل الكيميائية، مع بقاء مركباته الأكثر استقرارًا ضمن حالات الأكسدة المنخفضة والمتوسطة.

من جهة ثانية، يُعد أكسيد الإيريديوم الرباعي IrO₂ من أكثر مركبات الإيريديوم استقرارًا، ويظهر على شكل مسحوق بني، ويُستعمل في بعض التطبيقات الكهروكيميائية نظرًا لاستقراره النسبي. كما يُعرف أكسيد الإيريديوم الثلاثي Ir₂O₃ على شكل مسحوق أزرق مائل إلى السواد، ويمكن أن يتحول إلى IrO₂ عند الأكسدة في وجود حمض النتريك.

علاوةً على ذلك، تتراوح حالات الأكسدة المعروفة للإيريديوم بين −3 و+6، إلا أن حالتي +3 و+4 هما الأكثر شيوعًا واستقرارًا في مركباته. وتُعد حالات الأكسدة المرتفعة نادرة نسبيًا، وتشمل مركبات مثل سداسي فلوريد الإيريديوم IrF₆، إضافة إلى بعض الأكاسيد والمركبات المختلطة مثل Sr₂CaIrO₆.