Platinaryhmän metallit: yleiskatsaus, luettelo, ominaisuudet ja sovellukset

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-02 13:54

Platinaryhmän metallit ovat kuusi jaloa jaloa kemiallista alkuainetta, jotka sijaitsevat vierekkäin jaksollisessa taulukossa. Kaikki ne ovat siirtymämetalleja, joissa on 8–10 ryhmää 5–6 jaksossa.

Platinaryhmän metallien luettelo

Ryhmä koostuu seuraavista kuudesta kemiallisesta alkuaineesta, jotka on järjestetty atomipainon mukaan nousevaan järjestykseen:

• Ru – rutenium.
• Rh – rodium.
• Pd – palladium.
• Os – osmium.
• Ir – iridium.
• Pt – platina.

Platinaryhmän metalleilla on hopeanvalkoinen sävy, lukuun ottamatta osmiumia, joka on sinertävän valkoinen. Niiden kemiallinen käyttäytyminen on paradoksaalista, koska ne kestävät hyvin useimpia reagensseja, mutta niitä käytetään katalyytteinä, jotka kiihdyttävät tai säätelevät helposti hapettumis-, pelkistys- ja hydrausreaktioita.

Ruteeni ja osmium kiteytyvät kuusikulmaiseksi tiiviiksi systeemiksi, kun taas toisilla on kasvokeskeinen kuutiorakenne. Tämä näkyy ruteenin ja osmiumin suurena kovuutena.

Löytöhistoria

Vaikka platinaa sisältävät kultaesineet ovat peräisin vuodelta 700 eaa. eli tämän metallin läsnäolo on enemmän sattuma kuin kuvio. Jesuiitat 1500-luvulla mainitsivat tiheät harmaat kivet, jotka liittyivät tulvakultaesiintymiin. Näitä kiviä ei voitu sulattaa, mutta ne muodostivat seoksen kullan kanssa, kun taas harkot haurastuivat, eikä niitä ollut enää mahdollista puhdistaa. Kivet tunnettiin nimellä platina del Pinto, hopeisen materiaalin rakeita Pinto-joesta, joka virtaa San Juan-jokeen Kolumbiassa.

Ranskalainen fyysikko Chabano eristi vuonna 1789 muokattavaa platinaa, jota voidaan saada vain metallin täydellisen puhdistuksen jälkeen. Siitä tehtiin paavi Pius VI:lle tarjottu pikari. Palladiumin löydöstä vuonna 1802 raportoi englantilainen kemisti William Wollaston, joka antoi kemialle nimen. elementti platinametalliryhmästä asteroidin kunniaksi. Wollaston väitti myöhemmin löytäneensä platinamalmista toisen aineen. Hän kutsui sitä rodiumiksi metallisuolojen vaaleanpunaisen värin vuoksi. Iridiumin (nimetty sateenkaaren jumalattaren Iriksen mukaan sen suolojen kirkkaan värin vuoksi) ja osmiumin (kreikan sanasta "haju" sen haihtuvan oksidin kloorin hajun vuoksi) teki englantilainen kemisti Smithson Tennant vuonna 1803. Ranskalaiset tutkijat Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix ja Nicolas-Louis Vauquelin eristivät nämä kaksi metallia samanaikaisesti. Rutenium, viimeinen eristetty ja tunnistettu alkuaine, sai nimensä Venäjän latinankielisestä nimestä venäläiseltä kemistiltä Karl Karlovich Klausilta vuonna 1844.

Toisin kuinsellaisista, jotka on erotettu helposti suhteellisen puhtaassa tilassa yksinkertaisilla palojalostusaineilla, kuten kulta, hopea, platinaryhmän metallit vaativat monimutkaista vesikemiallista käsittelyä. Nämä menetelmät olivat käytettävissä vasta 1800-luvun lopulla, joten platinaryhmän tunnistaminen ja eristäminen jäivät hopean ja kullan taakse tuhansia vuosia. Lisäksi näiden metallien korkea sulamispiste rajoitti niiden käyttöä, kunnes Britannian, Ranskan, Saksan ja Venäjän tutkijat kehittivät menetelmiä platinan muuntamiseksi käyttökelpoiseen muotoon. Kuinka platinaryhmän jalometalleja alettiin käyttää koruissa vuodesta 1900 lähtien. Vaikka tämä sovellus on edelleen ajankohtainen, teollinen sovellus on selvästi ylittänyt sen. Palladiumista tuli erittäin kysytty kontaktimateriaali puhelinreleissä ja muissa langallisissa viestintäjärjestelmissä, mikä tarjoaa pitkän käyttöiän ja korkean luotettavuuden, kun taas platinaa käytettiin kipinäeroosiota vastaan kestävänsä taistelulentokoneiden sytytystulpissa toisen maailmansodan aikana.

Sodan jälkeen molekyylimuunnostekniikoiden laajeneminen öljynjalostuksessa loi v altavan kysynnän platinaryhmän metallien katalyyttisille ominaisuuksille. 1970-luvulle mennessä kulutus kasvoi entisestään, kun autojen päästöstandardit Yhdysvalloissa ja muissa maissa johtivat näiden kemikaalien käyttöön pakokaasujen katalyyttisen muuntamisen yhteydessä.

Malmit

Paitsi pieniä platina- ja palladiumjäämiäja osminen iridium (iridiumin ja osmiumin seos), ei käytännössä ole malmia, jonka pääkomponentti olisi kemiallinen alkuaine - platinaryhmän metalli. Mineraalit löytyvät yleensä sulfidimalmeista, erityisesti pentlandiitista (Ni, Fe)₉S₈. Yleisimmät ovat lauriitti RuS_{2, irarsiitti, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiridium (Ir, Os), kooperiitti, (PtS) ja braggiitti (Pt, Pd) S.}

Maailman suurin platinaryhmän metalliesiintymä on Bushveld-kompleksi Etelä-Afrikassa. Suuret raaka-ainevarat on keskittynyt Sudburyn esiintymiin Kanadassa ja Norilsk-Talnakhskoye esiintymään Siperiassa. Yhdysvalloissa suurimmat platinaryhmän mineraalien esiintymät sijaitsevat Stillwaterissa, Montanassa, mutta täällä ne ovat paljon pienempiä kuin Etelä-Afrikassa ja Venäjällä. Maailman suurimmat platinan tuottajat ovat Etelä-Afrikka, Venäjä, Zimbabwe ja Kanada.

Uuto ja rikastus

Etelä-Afrikan ja Kanadan tärkeimmät esiintymät toimivat kaivosmenetelmällä. Käytännössä kaikki platinaryhmän metallit otetaan t alteen kupari- tai nikkelisulfidimineraaleja käyttämällä vaahdotuserotusta. Konsentraattia sulatettaessa syntyy seos, joka pestään pois kupari- ja nikkelisulfideista autoklaavissa. Kiinteä uuttojäännös sisältää 15-20 % platinaryhmän metalleja.

Joskus painovoimaerotusta käytetään ennen vaahdotusta. Tuloksena on rikaste, joka sisältää jopa 50 % platinametalleja, mikä eliminoi sulatuksen tarpeen.

Mekaaniset ominaisuudet

Platinaryhmän metallit eroavat merkittävästi mekaanisista ominaisuuksista. Platina ja palladium ovat melko pehmeitä ja erittäin muokattavia. Näitä metalleja ja niiden seoksia voidaan työstää sekä kuumana että kylmänä. Rodium työstetään ensin kuumana ja voidaan myöhemmin työstää kylmänä melko usein hehkuttamalla. Iridium ja rutenium on lämmitettävä, niitä ei voi työstää kylmänä.

Osmium on ryhmän kovin ja sen sulamispiste on korkein, mutta sen taipumus hapettua asettaa omat rajoituksensa. Iridium on platinametalleista korroosionkestävin, ja rodium on arvostettu korkean lämpötilan kestävyyden vuoksi.

Rakenteelliset sovellukset

Koska puhdas hehkutettu platina on erittäin pehmeää, se on herkkä naarmuuntumiselle ja kulumiselle. Sen kovuuden lisäämiseksi se on seostettu monien muiden alkuaineiden kanssa. Platinakorut ovat erittäin suosittuja Japanissa, missä niitä kutsutaan nimellä "hakkin" ja "valkokulta". Koruseokset sisältävät 90 % Pt:tä ja 10 % Pd:tä, joka on helppo työstää ja juottaa. Ruteenin lisääminen lisää seoksen kovuutta säilyttäen samalla hapettumiskestävyyden. Takomoissa käytetään platinan, palladiumin ja kuparin seoksia, koska ne ovat kovempia kuin platinapalladium ja ovat halvempia.

Puolijohdeteollisuudessa yksittäiskiteiden valmistukseen käytettävät upokkaat vaativat korroosionkestävyyttä ja stabiilisuutta korkeissa lämpötiloissa. Tätä sovellusta varten platina, platina-rodium jairidium. Platina-rodium-seoksia käytetään lämpöparien valmistuksessa, jotka on suunniteltu mittaamaan korkeita lämpötiloja 1800 °C asti. Palladiumia käytetään sekä puhtaana että sekoitettuna sähkölaitteissa (50 % kulutuksesta), hammasseoksissa (30 %). Rodiumia, ruteenia ja osmiumia käytetään harvoin puhtaassa muodossaan - ne toimivat seosaineena muille platinaryhmän metalleille.

Katalyytit

Noin 42 % kaikesta lännessä tuotetusta platinasta käytetään katalyyttinä. Näistä 90 % käytetään autojen pakojärjestelmissä, joissa platinalla (sekä palladiumilla ja rodiumilla) päällystetyt tulenkestävät pelletit tai kennot auttavat muuttamaan palamattomat hiilivedyt, hiilimonoksidi ja typen oksidit vedeksi, hiilidioksidiksi ja typeksi.

Platinan ja 10 % rodiumin seos kuumana metalliverkon muodossa katalysoi ammoniakin ja ilman välistä reaktiota, jolloin muodostuu typen oksideja ja typpihappoa. Kun syötetään yhdessä ammoniakkiseoksen kanssa, voidaan saada metaanivetyhappoa. Öljynjalostuksessa alumiinioksidipellettien pinnalla oleva platina reaktorissa katalysoi pitkäketjuisten öljymolekyylien muuttumista haarautuneiksi isoparafiineiksi, jotka ovat toivottavia korkeaoktaanisissa bensiiniseoksissa.

galvanointi

Kaikki platinaryhmän metallit voidaan galvanoida. Tuloksena olevan pinnoitteen kovuuden ja kirkkauden vuoksi rodiumia käytetään yleisimmin. Vaikka sehinta on korkeampi kuin platinalla, pienempi tiheys mahdollistaa pienemmän materiaalimassan käytön, jonka paksuus on vertailukelpoinen.

Palladium on platinaryhmän metalli, jota on helpoin käyttää pinnoitussovelluksissa. Tämän ansiosta materiaalin lujuus kasvaa merkittävästi. Ruteniumille on löydetty käyttöä matalapainekitkatyöstötyökaluissa.

Kemialliset yhdisteet

Orgaanisia platinaryhmän metallikomplekseja, kuten alkyyliplatinakomplekseja, käytetään katalyytteinä olefiinien polymeroinnissa, polypropeenin ja polyeteenin tuotannossa sekä eteenin hapetuksessa asetaldehydiksi.

Platinasuoloja käytetään yhä enemmän syövän kemoterapiassa. Ne ovat esimerkiksi osa lääkkeitä, kuten karboplatiini ja sisplatiini. Ruteenioksidilla päällystettyjä elektrodeja käytetään kloorin ja natriumkloraatin valmistuksessa. Rodiumsulfaattia ja fosfaattia käytetään rodiumpinnoituskylvyissä.