Metale z grupy platynowców: przegląd, lista, właściwości i zastosowania

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Metale z grupy platynowców to sześć szlachetnych, szlachetnych pierwiastków chemicznych, które znajdują się obok siebie w układzie okresowym pierwiastków. Wszystkie są metalami przejściowymi z 8–10 grup po 5–6 okresów.

Lista metali z grupy platynowej

Grupa składa się z następujących sześciu pierwiastków chemicznych, ułożonych w porządku rosnącym według masy atomowej:

• Ru – ruten.
• Rh – rod.
• Pd – pallad.
• Os – osm.
• Ir – iryd.
• Pt – platyna.

Metale z grupy platynowców mają srebrzystobiały odcień, z wyjątkiem osmu, który jest niebieskawo-biały. Ich zachowanie chemiczne jest paradoksalne, ponieważ są wysoce odporne na większość odczynników, ale są używane jako katalizatory, łatwo przyspieszając lub kontrolując szybkość reakcji utleniania, redukcji i uwodornienia.

Ruten i osm krystalizują w heksagonalny, ciasno upakowany system, podczas gdy inne mają sześcienną strukturę skoncentrowaną na twarzy. Znajduje to odzwierciedlenie w większej twardości rutenu i osmu.

Historia odkryć

Chociaż artefakty zawierające platynę pochodzą z 700 roku p.n.e. Np. obecność tego metalu jest bardziej przypadkiem niż wzorem. Jezuici w XVI wieku wspominali o gęstych szarych kamyczkach związanych z aluwialnymi złożami złota. Kamieni tych nie można było stopić, ale tworzyły stop ze złotem, a sztabki stawały się kruche i nie można było ich już wyczyścić. Kamyczki stały się znane jako platina del Pinto, granulki srebrzystego materiału z rzeki Pinto, która wpada do rzeki San Juan w Kolumbii.

Platynowa platyna, którą można uzyskać tylko po całkowitym oczyszczeniu metalu, została wyizolowana przez francuskiego fizyka Chabano w 1789 roku. Z niego zrobiono kielich podarowany papieżowi Piusowi VI. Odkrycie palladu w 1802 zostało zgłoszone przez angielskiego chemika Williama Wollastona, który nazwał ten chem. element grupy metali platynowych na cześć asteroidy. Wollaston następnie twierdził, że odkrył inną substancję obecną w rudzie platyny. Nazwał go rodem ze względu na różowy kolor soli metali. Odkrycia irydu (nazwanego na cześć tęczowej bogini Iris ze względu na różnorodny kolor jej soli) oraz osmu (od greckiego słowa oznaczającego „zapach” ze względu na zapach chloru jego lotnego tlenku) zostały dokonane przez angielskiego chemika Smithsona Tennanta w 1803. Francuscy naukowcy Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix i Nicolas-Louis Vauquelin wyizolowali oba metale w tym samym czasie. Ruten, ostatni wyizolowany i zidentyfikowany pierwiastek, otrzymał swoją nazwę od łacińskiej nazwy Rosji od rosyjskiego chemika Karla Karlovicha Klausa w 1844 roku.

W przeciwieństwie doz tak łatwych do izolacji w stosunkowo czystym stanie przez proste rafinacje ogniowe, takie jak złoto, srebro, metale z grupy platynowców wymagają złożonej obróbki wodno-chemicznej. Metody te nie były dostępne aż do końca XIX wieku, więc identyfikacja i izolacja grupy platynowców pozostawała w tyle za srebrem i złotem o tysiące lat. Ponadto wysoka temperatura topnienia tych metali ograniczyła ich zastosowanie, dopóki naukowcy z Wielkiej Brytanii, Francji, Niemiec i Rosji nie opracowali metod przekształcania platyny w praktyczną formę. Jak metale szlachetne z grupy platynowców zaczęły być używane w biżuterii od 1900 roku. Chociaż ta aplikacja jest nadal aktualna, przemysłowa znacznie ją przewyższyła. Pallad stał się bardzo poszukiwanym materiałem stykowym w przekaźnikach telefonicznych i innych przewodowych systemach komunikacyjnych, zapewniając długą żywotność i wysoką niezawodność, podczas gdy platyna, ze względu na jej odporność na erozję iskrową, była używana w świecach zapłonowych samolotów bojowych podczas II wojny światowej.

Po wojnie rozwój technik konwersji molekularnej w rafinacji ropy naftowej stworzył ogromne zapotrzebowanie na właściwości katalityczne metali z grupy platynowców. W latach 70. zużycie wzrosło jeszcze bardziej, gdy normy emisji samochodów w USA i innych krajach doprowadziły do stosowania tych chemikaliów w katalitycznej konwersji spalin.

Rudy

Z wyłączeniem małych osadów platyny, palladui irydu osmicznego (stop irydu i osmu), praktycznie nie ma rudy, w której głównym składnikiem byłby pierwiastek chemiczny - metal z grupy platynowców. Minerały znajdują się zwykle w rudach siarczkowych, w szczególności w pentlandycie (Ni, Fe)₉S₈. Najczęściej spotykane to: lauryt RuS_{2, irysyt, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiryd (Ir, Os), kooperit, (PtS) i bragit (Pt, Pd) S.}

Największym na świecie złożem metali z grupy platynowców jest kompleks Bushveld w Afryce Południowej. Duże rezerwy surowców skoncentrowane są w złożach Sudbury w Kanadzie i złożu Norylsk-Talnachskoje na Syberii. W USA największe złoża minerałów z grupy platynowców znajdują się w Stillwater w stanie Montana, ale tutaj są one znacznie mniejsze niż w RPA i Rosji. Najwięksi światowi producenci platyny to RPA, Rosja, Zimbabwe i Kanada.

Ekstrakcja i wzbogacanie

Główne złoża południowoafrykańskie i kanadyjskie są eksploatowane metodą kopalnianą. Praktycznie wszystkie metale z grupy platynowców są odzyskiwane z minerałów siarczkowych miedzi lub niklu za pomocą rozdzielania flotacyjnego. Wytapianie koncentratu daje mieszaninę, która jest wypłukiwana z siarczków miedzi i niklu w autoklawie. Stała pozostałość po ługowaniu zawiera od 15 do 20% metali z grupy platynowców.

Czasami przed flotacją stosuje się separację grawitacyjną. Rezultatem jest koncentrat zawierający do 50% metali platynowych, eliminujący konieczność wytapiania.

Właściwości mechaniczne

Metale z grupy platynowców różnią się znacznie właściwościami mechanicznymi. Platyna i pallad są dość miękkie i bardzo plastyczne. Te metale i ich stopy można obrabiać zarówno na gorąco, jak i na zimno. Rod jest najpierw obrabiany na gorąco, a później może być obrabiany na zimno z dość częstym wyżarzaniem. Iryd i ruten muszą być podgrzewane, nie mogą być obrabiane na zimno.

Osm jest najtwardszym z tej grupy i ma najwyższą temperaturę topnienia, ale jego skłonność do utleniania nakłada własne ograniczenia. Iryd jest najbardziej odporny na korozję spośród metali platynowych, a rod jest ceniony za jego wysoką temperaturę.

Zastosowania strukturalne

Ponieważ czysta wyżarzona platyna jest bardzo miękka, jest podatna na zarysowania i niszczenie. Aby zwiększyć jego twardość, jest on stapiany z wieloma innymi pierwiastkami. Biżuteria platynowa jest bardzo popularna w Japonii, gdzie nazywana jest „hakkin” i „białym złotem”. Stopy jubilerskie zawierają 90% Pt i 10% Pd, który jest łatwy w obróbce i lutowaniu. Dodatek rutenu zwiększa twardość stopu przy zachowaniu odporności na utlenianie. Stopy platyny, palladu i miedzi są używane w odkuwkach, ponieważ są twardsze niż platyna pallad i są tańsze.

Tygle używane do produkcji monokryształów w przemyśle półprzewodników wymagają odporności na korozję i stabilności w wysokich temperaturach. Do tego zastosowania platyna, platyna-rod iiryd. Stopy platynowo-rodowe wykorzystywane są do produkcji termopar, które są przeznaczone do pomiaru podwyższonych temperatur do 1800 °C. Pallad jest stosowany zarówno w postaci czystej jak i mieszanej w urządzeniach elektrycznych (50% zużycia), w stopach dentystycznych (30%). Rod, ruten i osm są rzadko używane w czystej postaci - służą jako dodatek stopowy do innych metali z grupy platynowców.

Katalizatory

Około 42% całej platyny produkowanej na Zachodzie jest wykorzystywane jako katalizator. 90% z nich jest stosowanych w samochodowych układach wydechowych, w których ogniotrwałe granulki lub plastry miodu pokryte platyną (a także palladem i rodem) pomagają przekształcać niespalone węglowodory, tlenek węgla i tlenki azotu w wodę, dwutlenek węgla i azot.

Stop platyny i 10% rodu w postaci rozgrzanej do czerwoności siatki metalowej katalizuje reakcję między amoniakiem a powietrzem, w wyniku której powstają tlenki azotu i kwas azotowy. Po dodaniu razem z mieszaniną amoniaku można otrzymać metan kwas cyjanowodorowy. W rafinacji ropy naftowej platyna na powierzchni granulek tlenku glinu w reaktorze katalizuje konwersję długołańcuchowych cząsteczek oleju w rozgałęzione izoparafiny, które są pożądane w wysokooktanowych mieszankach benzyny.

Galwanizacja

Wszystkie metale z grupy platynowców mogą być galwanizowane. Ze względu na twardość i połysk powstałej powłoki najczęściej stosuje się rod. Mimo, żekoszt jest wyższy niż platyny, mniejsza gęstość pozwala na zastosowanie mniejszej masy materiału o porównywalnej grubości.

Pallad to metal z grupy platynowców, który jest najłatwiejszy w użyciu do powlekania. Dzięki temu znacznie zwiększa się wytrzymałość materiału. Ruten znalazł zastosowanie w narzędziach do obróbki niskociśnieniowej.

Związki chemiczne

Organiczne kompleksy metali z grupy platynowców, takie jak kompleksy alkiloplatyny, są stosowane jako katalizatory w polimeryzacji olefin, produkcji polipropylenu i polietylenu oraz utlenianiu etylenu do aldehydu octowego.

Sole platyny są coraz częściej stosowane w chemioterapii raka. Na przykład są częścią leków takich jak karboplatyna i cisplatyna. Elektrody otulone tlenkiem rutenu stosowane są w produkcji chloru i chloranu sodu. Siarczan i fosforan rodu są używane w kąpielach rodowych.