K čemu je dobré … iridium?

Vzácný a nerezavějící prvek je zároveň přesným měřidlem a svědkem dávné katastrofy, která vyhubila dinosaury. Odkud pochází iridium - a k čemu se používá? (délka blogu 10 min)

Jeho jméno mate. Iridotos je řecký výraz pro „duhový“. Iridium je přitom těžký, tvrdý a křehký kov, který má stříbrnou barvu. Jeho objevitel, anglický chemik Smithson Tennant, se totiž rozhodl pojmenovat nově objevený prvek po pestrobarevných solích, které iridium tvoří.

Odkud se ve vesmíru bere iridium?

Tak jako ostatní prvky, které jsou těžší než železo, vzniká iridium v extrémních podmínkách, jakými je například výbuch supernovy. Je výsledkem tzv. rychlých nebo pomalých procesů, při kterých se v jádrech lehčích prvků zachytávají  (výbuchem uvolněné) neutrony. Následným rozpadem se mění přebytečné neutrony na protony. Počet protonů v jádře pak rozhoduje o tom, o jaký prvek se jedná.

Iridium se vyskytuje ve formě dvou stabilních izotopů, lišících se jen celkovým počtem neutronů: Ir-191 a Ir-193. Těžšího izotopu je ve vesmíru dvakrát víc než lehčího.

Izotopy

Zatímco počet protonů určuje druh chemického prvku, hrají neutrony v jádře roli lepidla, které drží protony pohromadě. Protony totiž nesou kladný elektrický náboj a navzájem se odpuzují. Neutronů je v jádře těžkých prvků zpravidla více než protonů. Čím těžší prvek, tím více neutronů (lepidla) potřebuje k tomu, aby bylo jeho jádro stabilní. Přitom je zpravidla stabilních hned několik variant s různým množstvím neutronů. Těmto variantám říkáme izotopy.

Při pomalém, tedy s-procesu vzniká Ir-191 záchytem neutronu osmiem. Následným rozpadem a vyzářením elektronu se tento neutron mění na proton a z prvku se stává iridium.  190Os + n › 191Ir + ß­ + 6,07 MeV

Rychlý vznik (r-proces) spočívá v záchytu většího množství neutronů jádrem železa. Proč zrovna železa? Atomy železa jsou posledním produktem spalování lehkých prvků na těžší prvky v jádrech hvězd. Poté, co hvězda vytvořila ve svém jádře železo, přijde o základní zdroj energie, kterým je jaderná syntéza v jejím nitru. Hroutí se a může vybuchnout jako supernova – železa je tedy při výbuchu supernovy nadbytek a stává se výchozím kamenem pro tvorbu těžších prvků. 56Fe + 135n › 191Ir + 51ß­ + 1.066 MeV

Podobně vzniká i těžší izotop, Ir-193. Zde je samozřejmě výchozím izotopem pro s-proces těžší izotop osmia. 192Os + n › 193Ir + ß­ + 6,72 MeV

R-proces, tedy rychlejší varianta vzniku se dá popsat vzorcem: 56Fe + 137n › 193Ir + 51ß­ + 1.080 MeV

Výskyt iridia

Vznikem iridia procesy, které doprovázejí výbuch supernovy, samozřejmě nekončí.

Oba izotopy se dále podílejí na vzniku ještě těžších prvků, když ve svých jádrech zachytávají neutrony, uvolněné explozí supernovy. Tím se koncentrace právě vzniklého iridia snižuje. Ve vesmíru ho nalezneme kolem 2 mikrogramů na kilogram hmoty. Je ještě vzácnější než platina nebo osmium.

V zemské kůře je iridium opravdu vzácné. Má vysokou hustotu, proto se původní pozemské iridium koncentruje hlavně v jádře naší planety, zatímco zemská kůra obsahuje průměrně méně než 1 mikrogram na kilogram. Vzniká tak zajímavá situace. Dá se říci, že prakticky veškeré iridium na povrchu naší planety pochází z jejích střetů s vesmírnými tělesy. Nejznámější sedimentová vrstva, která obsahuje iridium, je připisována obří srážce Země s malým asteroidem, jehož následkem bylo masové vymírání na konci křídy.  

Iridium netvoří žádné minerály a v zemské kůře se nachází ve společnosti platiny a osmia. S osmiem tvoří přírodní slitinu s názvem osmiridium. Je v ní zhruba padesát procent iridia, zbytek tvoří osmium, platina, ruthenium a rhodium. Druhou přirozenou slitinou je iridosmium s 55 – 80 procenty osmia a 20 – 45 procenty iridia. Kromě toho se iridium nachází ve vedlejších produktech při výrobě niklu.

Nejvýznamnější naleziště iridia se nacházejí v Jižní Africe, Rusku, Kanadě a na Borneu.

Vlastnosti iridia

Iridium je stříbřitě bílý, velice tvrdý a křehký materiál. Patří mu jedno prvenství – je druhý nejtěžší ze všech chemických prvků. Iridium je extrémně odolné proti korozi. Má také velice vysokou teplotu tání a varu a nerozpouští se v žádné z kyselin.

K čemu se hodí iridium?

Iridium se používá hlavně jako přísada do slitin platiny. Propůjčuje slitinám větší tvrdost. Doma ho tedy máte nejspíše v hrotech drahých psacích per a špercích. Můžete se s ním setkat v některých injekčních jehlách, lékařských a laboratorních přístrojích, v různých měřicích přístrojích nebo v zubařských slitinách. Iridium využívá letectví pro zapalovací svíčky motorů.

Nejspíš nejznámější předměty, zhotovené ze slitiny iridia a platiny, byly pařížské prototypy kilogramu a metru, etalony hmotnosti a délky, uložené u Mezinárodního úřadu pro míry a váhy v Sevres. Oba byly vytvořeny ze slitiny, obsahující 90 procent platiny a 10 procent iridia.

Iridiové zářiče

Další zajímavé využítí má nestabilní izotop iridia, Ir-192. Na rozdíl od svých stabilních příbuzných (izotopů Ir-191 a Ir-193) podléhá beta-rozpadu s poločasem rozpadu 73,83 dní. Přitom se uvolňuje gama záření s poměrně vysokou energií (550 keV). Běžně používané průmyslové rentgenové přístroje mohou dosáhnout energií kolem 450 keV. Postačí k rentgenování předmětů do 5 centimetrů. Při větších rozměrech rentgenovaných součástek je nutno sáhnout po jiném zářiči. Často je jím iridium-192.

Iridiové zářiče se skládají z malého množství iridia (velkého asi jako hlavička špendlíku), uzavřeného ve speciálním obalu. Ten je uložen v dalším obalu, který chrání okolí před gama zářením.  Tyto zářiče jsou relativně malé a mobilní, i s obalem váží kolem 13 – 20 kg. 

K-T vrstva

Do povědomí veřejnosti se dostalo iridium hlavně díky tzv. K-T vrstvě. Jedná se o sedimentovou vrstvu, která byla nalezena v různých, navzájem vzdálených, lokalitách. Vytvořila se před 65 milióny let. Je svědkem dávné katastrofy, srážky Země s malým asteroidem. Ve vrstvě materiálu, která po srážce pokryla povrch naší planety, se nachází až 160x větší koncentrace iridia, než ve zbytku zemské kůry.

Iridiová anomálie v K-T vrstvě byla objevena v roce 1980. Tehdy se už vědělo, že se iridium nachází v materiálů asteroidů. Vědci tedy už museli jen najít kráter, který byl srážce odpovídal. Postupně se začaly rýsovat další a další detaily dávné katastrofy.

Před zhruba 65 milióny let se Země srazila s přibližně 10 km velkým kosmickým tělesem. Pro srovnání – ve chvíli, kdy se jeho špička dotkla zemského povrchu, byla jeho zadní část ve výšce, ve které se dnes běžně pohybují cestovní letadla.

Asteroid, který způsobil dávnou katastrofu, měl rychlost 20 – 40 km/s. Podobná tělesa jsou totiž pozůstatky z doby, kdy se tvořila Sluneční soustava. Mají proto vysokou rychlost, která je srovnatelná s rychlostí, jakou se Země pohybuje na své oběžné dráze kolem Slunce. V závislosti na tom, z jakého úhlu se s naší planetou srazí, může jejich rychlost dosáhnout až 70 km/s.

Katastrofa se udála v oblasti Mexického zálivu, v místě, kde se tehdy nacházelo nepříliš hluboké tropické moře. Při srážce se uvolnilo takové množství energie, že se asteroid během několika vteřin téměř úplně vypařil. Do atmosféry bylo vymrštěno několik tisíc krychlových kilometrů hmoty, která se dostala dokonce až do vyšších vrstev stratosféry.

Událost je známa jako katastrofa, při které vyhynuli dinosauři. Nebyli to ale jen oni. Následovala biologická krize, během které vymřely tři čtvrtiny na Zemi žijících druhů.

Na památku zůstala na Zemi vrstva, obsahující iridium – a my. Někteří z tehdy žijících savců totiž měli štěstí. Díky svém způsobu života (většinu doby trávili pod zemí) klimatickou katastrofu po dopadu asteroidu přežili. Z jejich potomků se časem vytvořily další a další druhy zvířat – včetně nás.