Platina csoportú fémek: áttekintés, lista, tulajdonságok és alkalmazások

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A platina csoportba tartozó fémek hat nemes értékes kémiai elem, amelyek egymás mellett helyezkednek el a periódusos rendszerben. Mindegyik átmeneti fém 8-10 csoportból, 5-6 periódusból.

Platina csoport fémek listája

A csoport a következő hat kémiai elemből áll, atomtömeg szerint növekvő sorrendben:

• Ru – ruténium.
• Rh – ródium.
• Pd – palládium.
• Os – ozmium.
• Ir – irídium.
• Pt – platina.

A platina csoportba tartozó fémek ezüstös fehér árnyalatúak, kivéve az ozmiumot, amely kékesfehér. Kémiai viselkedésük paradox, mivel nagyon ellenállóak a legtöbb reagenssel szemben, de katalizátorként használják, könnyen felgyorsítják vagy szabályozzák az oxidációs, redukciós és hidrogénezési reakciók sebességét.

A ruténium és az ozmium hatszögletű, szorosan egymásra épülő rendszerré kristályosodik, míg mások arcközpontú köbös szerkezetűek. Ez a ruténium és az ozmium nagyobb keménységében is megmutatkozik.

Felfedezési előzmények

Bár a platinatartalmú aranytárgyak Kr.e. 700-ból származnak. e., ennek a fémnek a jelenléte inkább véletlen, mint minta. A jezsuiták a 16. században sűrű szürke kavicsokat emlegettek, amelyek hordalékos aranylelőhelyekhez kapcsolódnak. Ezeket a köveket nem tudták megolvasztani, de ötvözetet alkottak az arannyal, miközben a tuskó törékennyé vált, és már nem lehetett megtisztítani őket. A kavicsok platina del Pinto néven váltak ismertté, a kolumbiai San Juan folyóba ömlő Pinto folyóból származó ezüstös anyag szemcséi.

Az alakítható platinát, amely csak a fém teljes tisztítása után nyerhető, Chabano francia fizikus izolálta 1789-ben. Pius pápának ajándékozott serleget készítettek belőle. A palládium 1802-es felfedezéséről William Wollaston angol kémikus számolt be, aki elnevezte a kémiai anyagot. a platina fémcsoport eleme az aszteroida tiszteletére. Wollaston ezt követően azt állította, hogy egy másik anyagot fedezett fel a platinaércben. A fémsók rózsaszín színe miatt ródiumnak nevezte. Az irídium (a szivárvány Iris istennőjéről kapta a nevét sóinak tarka színe miatt) és az ozmium (a görög „szag” szóból az illékony oxid klórszaga miatt) felfedezését Smithson Tennant angol kémikus tette 2008-ban. 1803. Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix és Nicolas-Louis Vauquelin francia tudósok egy időben izolálták a két fémet. A ruténium, az utolsó izolált és azonosított elem, nevét Oroszország latin nevéből kapta Karl Karlovich Klaus orosz kémikustól 1844-ben.

Eltérőenaz ilyen egyszerű tűzfinomító anyagokkal, például arany, ezüst, platina csoportba tartozó fémek viszonylag tiszta állapotban könnyen izolálhatóak, komplex víz-kémiai kezelést igényelnek. Ezek a módszerek csak a 19. század végén álltak rendelkezésre, így a platinacsoport azonosítása és elkülönítése több ezer évvel elmaradt az ezüsttől és az aranytól. Ezen túlmenően ezeknek a fémeknek a magas olvadáspontja korlátozta felhasználásukat mindaddig, amíg a brit, francia, német és orosz kutatók ki nem dolgoztak módszereket a platina működőképes formává alakítására. Hogyan kezdték el használni a platinacsoport nemesfémeit ékszerekben 1900 óta. Bár ez az alkalmazás ma is aktuális, az ipari alkalmazás messze felülmúlta azt. A palládium a telefonrelék és más vezetékes kommunikációs rendszerek rendkívül keresett érintkezőanyagává vált, amely hosszú élettartamot és nagy megbízhatóságot biztosít, míg a platinát a szikraerózióval szembeni ellenálló képessége miatt harci repülőgépek gyújtógyertyáiban használták a második világháború idején.

A háború után a molekuláris konverziós technikák térhódítása a kőolaj-finomításban hatalmas keresletet teremtett a platinacsoportba tartozó fémek katalitikus tulajdonságai iránt. Az 1970-es évekre a fogyasztás még tovább nőtt, amikor az Egyesült Államokban és más országokban az autók károsanyag-kibocsátási szabványai ezeknek a vegyszereknek a használatához vezettek a kipufogógáz katalitikus átalakítására.

Ércek

Kivéve a platina, palládium kis lerakódásaités az ozmikus irídium (az irídium és az ozmium ötvözete), gyakorlatilag nincs olyan érc, amelyben a fő komponens egy kémiai elem - a platinacsoportba tartozó fém - lenne. Ásványi anyagok általában a szulfidércekben találhatók, különösen a pentlanditban (Ni, Fe)₉S₈. A leggyakoribb a laurit RuS_{2, irarzit, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, ozmiridium (Ir, Os), kooperit, (PtS) és braggit (Pt, Pd) S.}

A platinacsoporthoz tartozó fémek világ legnagyobb lelőhelye a dél-afrikai Bushveld komplexum. Nagy nyersanyagtartalékok koncentrálódnak a kanadai Sudbury lelőhelyen és a szibériai Norilsk-Talnakhskoye lelőhelyen. Az USA-ban a platinacsoportba tartozó ásványok legnagyobb lelőhelyei a montanai Stillwaterben találhatók, de itt jóval kisebbek, mint Dél-Afrikában és Oroszországban. A világ legnagyobb platinatermelői Dél-Afrika, Oroszország, Zimbabwe és Kanada.

Kivonás és dúsítás

A fő dél-afrikai és kanadai lelőhelyeket bányászati módszerrel üzemeltetik. Gyakorlatilag az összes platinacsoportba tartozó fémet réz- vagy nikkel-szulfid ásványokból flotációs elválasztással nyerik ki. A koncentrátum olvasztása során keverék keletkezik, amelyet egy autoklávban kimosnak a réz- és nikkel-szulfidokból. A szilárd kilúgozási maradék 15-20% platinacsoportba tartozó fémeket tartalmaz.

Néha gravitációs elválasztást alkalmaznak a flotáció előtt. Az eredmény egy koncentrátum, amely akár 50% platinafémeket tartalmaz, így nincs szükség olvasztásra.

Mechanikai tulajdonságok

A platina csoportba tartozó fémek mechanikai tulajdonságaiban jelentősen eltérnek egymástól. A platina és a palládium meglehetősen puha és nagyon képlékeny. Ezek a fémek és ötvözeteik melegen és hidegen is megmunkálhatók. A ródiumot először melegen megmunkálják, majd később hidegen megmunkálják, meglehetősen gyakori izzítással. Az irídiumot és a ruténiumot melegíteni kell, nem lehet hidegen megmunkálni.

Az ozmium a legkeményebb a csoportban, és a legmagasabb olvadáspontja is van, de oxidációs hajlama megszabja a maga korlátait. A platinafémek közül az irídium a legkorrózióállóbb, a ródiumot pedig nagyra értékelik a magas hőmérséklet-tartás miatt.

Strukturális alkalmazások

Mivel a tisztára lágyított platina nagyon puha, érzékeny a karcolásokra és az elhasználódásra. Keménységének növelése érdekében sok más elemmel ötvözik. A platina ékszerek nagyon népszerűek Japánban, ahol "hakkin"-nak és "fehér aranynak" nevezik. Az ékszerötvözetek 90% Pt-t és 10% Pd-t tartalmaznak, ami könnyen megmunkálható és forrasztható. A ruténium hozzáadása növeli az ötvözet keménységét, miközben fenntartja az oxidációval szembeni ellenállást. A platina, a palládium és a réz ötvözeteit a kovácsolt termékekben használják, mivel ezek keményebbek, mint a platina-palládium, és olcsóbbak.

A félvezetőiparban egykristályok előállítására használt tégelyek korrózióállóságot és magas hőmérsékleten való stabilitást igényelnek. Ehhez az alkalmazáshoz platina, platina-ródium ésirídium. A platina-ródium ötvözeteket hőelemek gyártására használják, amelyeket 1800 °C-ig megemelt hőmérséklet mérésére terveztek. A palládiumot tiszta és kevert formában is használják elektromos készülékekben (a fogyasztás 50%-a), fogászati ötvözetekben (30%). A ródiumot, ruténiumot és ozmiumot ritkán használják tiszta formájában – más platinacsoportba tartozó fémek ötvöző adalékaként szolgálnak.

Katalizátorok

A Nyugaton előállított platina mintegy 42%-át katalizátorként használják fel. Ezek 90%-át autóipari kipufogórendszerekben használják, ahol a platinával (valamint palládiummal és ródiummal) bevont tűzálló pellet vagy méhsejt segít az el nem égett szénhidrogének, szén-monoxid és nitrogén-oxidok vízzé, szén-dioxiddá és nitrogénné alakításában.

A platina és 10% ródium ötvözete vörösen izzó fémháló formájában katalizálja az ammónia és a levegő közötti reakciót nitrogén-oxidok és salétromsav előállítására. Ha ammónia keverékével együtt tápláljuk, metán-hidrogén-cianid nyerhető. A kőolajfinomítás során a reaktorban a timföldszemcsék felületén lévő platina katalizálja a hosszú szénláncú olajmolekulák elágazó láncú izoparaffinokká való átalakulását, amelyek kívánatosak a magas oktánszámú benzinkeverékekben.

galvanizálás

Minden platinacsoportba tartozó fém galvanizálható. A kapott bevonat keménysége és ragyogása miatt a ródiumot használják leggyakrabban. Bár azta költség magasabb, mint a platinaé, az alacsonyabb sűrűség lehetővé teszi kisebb tömegű, hasonló vastagságú anyag használatát.

A palládium a platinacsoporthoz tartozó fém, amely a legkönnyebben használható bevonatokhoz. Ennek köszönhetően az anyag szilárdsága jelentősen megnő. A ruténiumot kisnyomású súrlódó megmunkáló szerszámokban használják.

Kémiai vegyületek

A szerves platinacsoport fémkomplexeit, például az alkilplatina komplexeket katalizátorként használják olefinek polimerizációjában, polipropilén és polietilén előállításában, valamint az etilén acetaldehiddé történő oxidációjában.

A platina sókat egyre gyakrabban használják a rák kemoterápiájában. Például olyan gyógyszerek részét képezik, mint a karboplatin és a ciszplatin. A ruténium-oxiddal bevont elektródákat klór és nátrium-klorát előállításához használják. Ródium-szulfátot és foszfátot használnak a ródium bevonatú fürdőkben.