Platinos grupės metalai: apžvalga, sąrašas, savybės ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-02 13:59

Platinos grupės metalai yra šeši taurieji cheminiai elementai, esantys greta periodinėje lentelėje. Visi jie yra pereinamieji metalai, susidedantys iš 8–10 grupių 5–6 periodų.

Platinos grupės metalų sąrašas

Grupę sudaro šeši cheminiai elementai, išdėstyti atominės masės didėjimo tvarka:

• Ru – rutenis.
• Rh – rodis.
• Pd – paladis.
• Os – osmium.
• Ir – iridis.
• Pt – platina.

Platinos grupės metalai turi sidabriškai b altą atspalvį, išskyrus osmį, kuris yra melsvai b altas. Jų cheminis elgesys yra paradoksalus, nes jie yra labai atsparūs daugumai reagentų, tačiau yra naudojami kaip katalizatoriai, nesunkiai pagreitinantys arba kontroliuojantys oksidacijos, redukcijos ir hidrinimo reakcijų greitį.

Rutenis ir osmis kristalizuojasi į šešiakampę sandarią sistemą, o kiti turi į veidą nukreiptą kubinę struktūrą. Tai atspindi didesnis rutenio ir osmio kietumas.

Atradimų istorija

Nors platinos aukso dirbiniai datuojami 700 m. pr. Kr. e., šio metalo buvimas yra daugiau nelaimingas atsitikimas nei modelis. Jėzuitai XVI amžiuje minėjo tankius pilkus akmenukus, susijusius su aliuviniais aukso telkiniais. Šių akmenų nepavyko išlydyti, tačiau jie sudarė lydinį su auksu, o luitai tapo trapūs ir jų nebebuvo įmanoma išvalyti. Akmenukai tapo žinomi kaip platina del Pinto, sidabrinės medžiagos granulės iš Pinto upės, įtekančios į San Chuano upę Kolumbijoje.

Kaliąją platiną, kurią galima gauti tik visiškai išvalius metalą, 1789 m. išskyrė prancūzų fizikas Chabano. Iš jos buvo pagaminta taurė, padovanota popiežiui Pijui VI. Apie paladžio atradimą 1802 m. pranešė anglų chemikas Williamas Wollastonas, kuris pavadino chemiką. platinos metalo grupės elementas asteroido garbei. Vėliau Wollastonas teigė atradęs kitą platinos rūdoje esančią medžiagą. Jis pavadino jį rodžiu dėl rausvos metalo druskų spalvos. Iridžio (pavadinto vaivorykštės deivės Iris vardu dėl margos druskų spalvos) ir osmio (iš graikų kalbos žodžio „kvapas“dėl lakiojo oksido chloro kvapo) atradimus padarė anglų chemikas Smithsonas Tennantas m. 1803 m. Prancūzų mokslininkai Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix ir Nicolas-Louis Vauquelin išskyrė du metalus vienu metu. Rutenis, paskutinis izoliuotas ir identifikuotas elementas, savo pavadinimą gavo iš lotyniško Rusijos pavadinimo iš rusų chemiko Karlo Karlovičiaus Klauso 1844 m.

Nepatinkaiš tokių lengvai išskiriamų santykinai grynos būsenos paprastomis ugnies rafinavimo medžiagomis, tokiomis kaip auksas, sidabras, platinos grupės metalai reikalauja sudėtingo vandens cheminio apdorojimo. Šie metodai nebuvo prieinami iki XIX amžiaus pabaigos, todėl platinos grupės identifikavimas ir išskyrimas tūkstančiais metų atsiliko nuo sidabro ir aukso. Be to, aukšta šių metalų lydymosi temperatūra ribojo jų naudojimą, kol Didžiosios Britanijos, Prancūzijos, Vokietijos ir Rusijos mokslininkai sukūrė metodus, kaip platiną paversti tinkama forma. Kaip platinos grupės taurieji metalai pradėti naudoti papuošaluose nuo 1900 m. Nors ši programa išlieka aktuali ir šiandien, pramoninė ją gerokai pranoko. Paladis tapo labai geidžiama kontaktine medžiaga telefono relėse ir kitose laidinio ryšio sistemose, užtikrinančia ilgą tarnavimo laiką ir didelį patikimumą, o platina dėl atsparumo kibirkščių erozijai Antrojo pasaulinio karo metais buvo naudojama kovinių orlaivių uždegimo žvakėse.

Po karo išplėtus molekulinės konversijos metodus naftos rafinavimo srityje, atsirado didžiulė platinos grupės metalų katalizinių savybių paklausa. Aštuntajame dešimtmetyje suvartojimas dar labiau išaugo, kai JAV ir kitų šalių automobilių išmetamųjų teršalų standartai paskatino šias chemines medžiagas naudoti konvertuojant katalizines išmetamąsias dujas.

Rūdos

Išskyrus mažas platinos, paladžio nuosėdasir osminio iridžio (iridžio ir osmio lydinio), praktiškai nėra rūdos, kurioje pagrindinis komponentas būtų cheminis elementas – platinos grupės metalas. Mineralai dažniausiai randami sulfidinėse rūdose, ypač pentlandite (Ni, Fe)₉S₈. Labiausiai paplitę yra lauritas RuS_{2, iraritas, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiridis (Ir, Os), kooperitas, (PtS) ir bragitas (Pt, Pd) S.}

Didžiausias pasaulyje platinos grupės metalų telkinys yra Bushveldo kompleksas Pietų Afrikoje. Didelės žaliavų atsargos sutelktos Kanados Sudberio telkiniuose ir Sibire esančiuose Norilsko-Talnakhskoye telkiniuose. JAV didžiausi platinos grupės mineralų telkiniai yra Stilvoteryje, Montanoje, tačiau čia jie gerokai mažesni nei Pietų Afrikoje ir Rusijoje. Didžiausi platinos gamintojai pasaulyje yra Pietų Afrika, Rusija, Zimbabvė ir Kanada.

Išgavyba ir sodrinimas

Pagrindiniai Pietų Afrikos ir Kanados telkiniai eksploatuojami kasyklų metodu. Beveik visi platinos grupės metalai išgaunami iš vario arba nikelio sulfido mineralų naudojant flotacinį atskyrimą. Lydant koncentratą susidaro mišinys, kuris išplaunamas iš vario ir nikelio sulfidų autoklave. Kietojo išplovimo liekanoje yra 15–20 % platinos grupės metalų.

Kartais gravitacinis atskyrimas naudojamas prieš flotaciją. Rezultatas – koncentratas, kuriame yra iki 50 % platinos metalų, todėl nereikia lydyti.

Mechaninės savybės

Platinos grupės metalai labai skiriasi mechaninėmis savybėmis. Platina ir paladis yra gana minkšti ir labai lankstūs. Šiuos metalus ir jų lydinius galima apdirbti tiek karštai, tiek š altai. Rodis pirmiausia apdirbamas karštai, o vėliau gali būti apdirbamas š altai, gana dažnai atkaitinant. Iridis ir rutenis turi būti kaitinami, jų negalima apdoroti š altai.

Osmis yra kiečiausias iš grupės ir turi aukščiausią lydymosi temperatūrą, tačiau jo polinkis oksiduotis nustato savo apribojimus. Iridis yra atspariausias korozijai iš platinos metalų, o rodis vertinamas dėl aukšto temperatūros išlaikymo.

Struktūrinės programos

Kadangi švariai atkaitinta platina yra labai minkšta, ji lengvai subraižoma ir nusidėvi. Siekiant padidinti jo kietumą, jis legiruojamas su daugeliu kitų elementų. Platinos papuošalai yra labai populiarūs Japonijoje, kur jie vadinami „hakkin“ir „b altuoju auksu“. Juvelyrinių dirbinių lydiniuose yra 90 % Pt ir 10 % Pd, kurį lengva apdirbti ir lituoti. Rutenio pridėjimas padidina lydinio kietumą, išlaikant atsparumą oksidacijai. Platinos, paladžio ir vario lydiniai naudojami k altiniuose gaminiuose, nes jie yra kietesni už platininį paladį ir yra pigesni.

Tigliai, naudojami pavieniams kristalams puslaidininkių pramonėje gaminti, reikalauja atsparumo korozijai ir stabilumo aukštoje temperatūroje. Šiam pritaikymui platina, platina-rodis iriridžio. Platinos-rodžio lydiniai naudojami termoporų gamyboje, kurios skirtos matuoti iki 1800 °C aukštesnę temperatūrą. Paladis naudojamas tiek grynas, tiek mišrus elektros prietaisuose (50% suvartojimo), dantų lydiniuose (30%). Rodis, rutenis ir osmis grynas naudojamas retai – jie naudojami kaip legiruojantis priedas kitiems platinos grupės metalams.

Katalizatoriai

Apie 42 % visos Vakaruose pagamintos platinos naudojama kaip katalizatorius. 90 % iš jų naudojama automobilių išmetimo sistemose, kur platina (taip pat paladžiu ir rodžiu) padengtos ugniai atsparios granulės arba koriai padeda nesudegusius angliavandenilius, anglies monoksidą ir azoto oksidus paversti vandeniu, anglies dioksidu ir azotu.

Platinos ir 10 % rodžio lydinys raudonai įkaitusio metalo tinklelio pavidalu katalizuoja reakciją tarp amoniako ir oro, kad susidarytų azoto oksidai ir azoto rūgštis. Maitinant kartu su amoniako mišiniu, galima gauti metano vandenilio cianido rūgštį. Naftos rafinavimo metu platina ant aliuminio oksido granulių paviršiaus reaktoriuje katalizuoja ilgos grandinės alyvos molekulių pavertimą šakotais izoparafinais, kurie yra pageidautini didelio oktaninio skaičiaus benzino mišiniuose.

Gallifikavimas

Visi platinos grupės metalai gali būti galvanizuoti. Dėl gautos dangos kietumo ir blizgesio dažniausiai naudojamas rodis. Nors taikaina didesnė nei platinos, mažesnis tankis leidžia naudoti mažesnę panašaus storio medžiagos masę.

Palladis yra platinos grupės metalas, kurį lengviausia naudoti dengiant. Dėl to medžiagos stiprumas žymiai padidėja. Rutenis buvo naudojamas žemo slėgio trinties apdirbimo įrankiuose.

Cheminiai junginiai

Organiniai platinos grupės metalų kompleksai, tokie kaip alkilplatinos kompleksai, naudojami kaip katalizatoriai olefinų polimerizacijoje, polipropileno ir polietileno gamyboje bei etileno oksidacijoje iki acetaldehido.

Platinos druskos vis dažniau naudojamos vėžio chemoterapijoje. Pavyzdžiui, jie yra vaistų, tokių kaip karboplatina ir cisplatina, dalis. Rutenio oksidu padengti elektrodai naudojami chloro ir natrio chlorato gamyboje. Rodžio sulfatas ir fosfatas naudojami rodžio dengimo voniose.