Μέταλλα της ομάδας πλατίνας: επισκόπηση, λίστα, ιδιότητες και εφαρμογές

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Μέταλλα της ομάδας πλατίνας είναι έξι ευγενή πολύτιμα χημικά στοιχεία που βρίσκονται δίπλα-δίπλα στον περιοδικό πίνακα. Όλα είναι μέταλλα μεταπτώσεως 8–10 ομάδων των 5–6 περιόδων.

Λίστα μετάλλων ομάδας πλατίνα

Η ομάδα αποτελείται από τα ακόλουθα έξι χημικά στοιχεία, διατεταγμένα σε αύξουσα σειρά ατομικού βάρους:

• Ru – ρουθήνιο.
• Rh – ρόδιο.
• Pd – παλλάδιο.
• Os – όσμιο.
• Ir – ιρίδιο.
• Pt – πλατίνα.

Τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας έχουν ασημί λευκή απόχρωση, εκτός από το όσμιο, το οποίο είναι γαλαζωπόλευκο. Η χημική τους συμπεριφορά είναι παράδοξη καθώς είναι εξαιρετικά ανθεκτικά στα περισσότερα αντιδραστήρια, αλλά χρησιμοποιούνται ως καταλύτες, επιταχύνοντας ή ελέγχοντας εύκολα το ρυθμό των αντιδράσεων οξείδωσης, αναγωγής και υδρογόνωσης.

Το ρουθήνιο και το όσμιο κρυσταλλώνονται σε ένα εξαγωνικό κλειστό σύστημα, ενώ άλλα έχουν κυβική δομή με επίκεντρο το πρόσωπο. Αυτό αντανακλάται στη μεγαλύτερη σκληρότητα του ρουθηνίου και του οσμίου.

Ιστορικό ανακάλυψης

Αν και τα τεχνουργήματα χρυσού που φέρουν πλατίνα χρονολογούνται από το 700 π. Χ. ε., η παρουσία αυτού του μετάλλου είναι περισσότερο ατύχημα παρά σχέδιο. Οι Ιησουίτες τον 16ο αιώνα ανέφεραν πυκνά γκρίζα βότσαλα που σχετίζονταν με προσχωσιγενή κοιτάσματα χρυσού. Αυτές οι πέτρες δεν μπορούσαν να λιώσουν, αλλά σχημάτισαν ένα κράμα με τον χρυσό, ενώ τα πλινθώματα έγιναν εύθραυστα και δεν ήταν πλέον δυνατός ο καθαρισμός τους. Τα βότσαλα έγιναν γνωστά ως platina del Pinto, κόκκοι ασημιού υλικού από τον ποταμό Pinto, ο οποίος ρέει στον ποταμό San Juan στην Κολομβία.

Η εύπλαστη πλατίνα, η οποία μπορεί να ληφθεί μόνο μετά από πλήρη καθαρισμό του μετάλλου, απομονώθηκε από τον Γάλλο φυσικό Chabano το 1789. Από αυτό κατασκευάστηκε ένα κύπελλο που δόθηκε στον Πάπα Πίο ΣΤ'. Η ανακάλυψη του παλλαδίου το 1802 αναφέρθηκε από τον Άγγλο χημικό William Wollaston, ο οποίος ονόμασε το χημικό. στοιχείο της ομάδας μετάλλου πλατίνας προς τιμήν του αστεροειδούς. Ο Wollaston στη συνέχεια ισχυρίστηκε ότι ανακάλυψε μια άλλη ουσία που υπήρχε στο μετάλλευμα πλατίνας. Το ονόμασε ρόδιο λόγω του ροζ χρώματος των μεταλλικών αλάτων. Οι ανακαλύψεις του ιριδίου (που πήρε το όνομά του από τη θεά του ουράνιου τόξου Ίριδα λόγω του διαφοροποιημένου χρώματος των αλάτων του) και του οσμίου (από την ελληνική λέξη για τη μυρωδιά λόγω της μυρωδιάς του χλωρίου του πτητικού οξειδίου του) έγιναν από τον Άγγλο χημικό Smithson Tennant στο 1803. Οι Γάλλοι επιστήμονες Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix και Nicolas-Louis Vauquelin απομόνωσαν τα δύο μέταλλα ταυτόχρονα. Το ρουθήνιο, το τελευταίο απομονωμένο και αναγνωρισμένο στοιχείο, έλαβε το όνομά του από τη λατινική ονομασία για τη Ρωσία από τον Ρώσο χημικό Karl Karlovich Klaus το 1844.

Δεν μου αρέσειαπό τέτοια που απομονώνονται εύκολα σε σχετικά καθαρή κατάσταση με απλές ουσίες διύλισης πυρκαγιάς όπως ο χρυσός, ο άργυρος, τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας απαιτούν πολύπλοκη χημική επεξεργασία νερού. Αυτές οι μέθοδοι δεν ήταν διαθέσιμες μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, έτσι η αναγνώριση και η απομόνωση της ομάδας της πλατίνας έμεινε πίσω από το ασήμι και τον χρυσό για χιλιάδες χρόνια. Επιπλέον, το υψηλό σημείο τήξης αυτών των μετάλλων περιόρισε τη χρήση τους έως ότου ερευνητές στη Βρετανία, τη Γαλλία, τη Γερμανία και τη Ρωσία ανέπτυξαν μεθόδους για τη μετατροπή της πλατίνας σε λειτουργική μορφή. Πώς τα πολύτιμα μέταλλα της ομάδας της πλατίνας άρχισαν να χρησιμοποιούνται στα κοσμήματα από το 1900. Ενώ αυτή η εφαρμογή παραμένει επίκαιρη σήμερα, η βιομηχανική την έχει ξεπεράσει κατά πολύ. Το παλλάδιο έγινε ένα ιδιαίτερα περιζήτητο υλικό επαφής σε τηλεφωνικά ρελέ και άλλα ενσύρματα συστήματα επικοινωνίας, παρέχοντας μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή αξιοπιστία, ενώ η πλατίνα, λόγω της αντοχής της στη διάβρωση σπινθήρα, χρησιμοποιήθηκε σε μπουζί πολεμικών αεροσκαφών κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου.

Μετά τον πόλεμο, η επέκταση των τεχνικών μοριακής μετατροπής στη διύλιση πετρελαίου δημιούργησε τεράστια ζήτηση για τις καταλυτικές ιδιότητες των μετάλλων της ομάδας της πλατίνας. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, η κατανάλωση αυξήθηκε ακόμη περισσότερο όταν τα πρότυπα εκπομπών αυτοκινήτων στις ΗΠΑ και σε άλλες χώρες οδήγησαν στη χρήση αυτών των χημικών ουσιών στην καταλυτική μετατροπή καυσαερίων.

Ores

Εξαιρούνται οι μικρές αποθέσεις πλατίνας, παλλαδίουκαι το ωσμικό ιρίδιο (κράμα ιριδίου και οσμίου), πρακτικά δεν υπάρχει μετάλλευμα στο οποίο το κύριο συστατικό θα ήταν ένα χημικό στοιχείο - ένα μέταλλο της ομάδας πλατίνας. Ορυκτά βρίσκονται συνήθως στα θειούχα μεταλλεύματα, ιδιαίτερα ο πενταλαντίτης (Ni, Fe)₉S₈. Τα πιο συνηθισμένα είναι ο λαυρίτης RuS_{2, ιραρσίτης, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, οσμιρίδιο (Ir, Os), κοπερίτης, (PtS) και βραγγίτης (Pt, Pd) S.}

Το μεγαλύτερο κοίτασμα μετάλλων της ομάδας πλατίνας στον κόσμο είναι το σύμπλεγμα Bushveld στη Νότια Αφρική. Μεγάλα αποθέματα πρώτων υλών συγκεντρώνονται στα κοιτάσματα Sudbury στον Καναδά και στο κοίτασμα Norilsk-Talnakhskoye στη Σιβηρία. Στις ΗΠΑ, τα μεγαλύτερα κοιτάσματα ορυκτών της ομάδας πλατίνας βρίσκονται στο Stillwater της Μοντάνα, αλλά εδώ είναι πολύ μικρότερα από ό,τι στη Νότια Αφρική και τη Ρωσία. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί πλατίνας στον κόσμο είναι η Νότια Αφρική, η Ρωσία, η Ζιμπάμπουε και ο Καναδάς.

Εξαγωγή και εμπλουτισμός

Τα κύρια κοιτάσματα της Νότιας Αφρικής και του Καναδά λειτουργούν με τη μέθοδο του ορυχείου. Ουσιαστικά όλα τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας ανακτώνται από ορυκτά θειούχου χαλκού ή νικελίου χρησιμοποιώντας διαχωρισμό επίπλευσης. Η τήξη του συμπυκνώματος παράγει ένα μείγμα που ξεπλένεται από τα σουλφίδια χαλκού και νικελίου σε αυτόκλειστο. Το στερεό υπόλειμμα έκπλυσης περιέχει 15 έως 20% μέταλλα της ομάδας πλατίνας.

Μερικές φορές χρησιμοποιείται διαχωρισμός βαρύτητας πριν από την επίπλευση. Το αποτέλεσμα είναι ένα συμπύκνωμα που περιέχει έως και 50% μέταλλα πλατίνας, εξαλείφοντας την ανάγκη τήξης.

Μηχανικές ιδιότητες

Μέταλλα της ομάδας της πλατίνας διαφέρουν σημαντικά στις μηχανικές ιδιότητες. Η πλατίνα και το παλλάδιο είναι αρκετά μαλακά και πολύ εύπλαστα. Αυτά τα μέταλλα και τα κράματά τους μπορούν να κατεργαστούν τόσο ζεστά όσο και κρύα. Το ρόδιο αρχικά επεξεργάζεται ζεστό και μπορεί αργότερα να υποστεί ψυχρή επεξεργασία με αρκετά συχνή ανόπτηση. Το ιρίδιο και το ρουθήνιο πρέπει να θερμαίνονται, δεν μπορούν να υποστούν ψυχρή επεξεργασία.

Το όσμιο είναι το πιο σκληρό της ομάδας και έχει το υψηλότερο σημείο τήξης, αλλά η τάση του να οξειδώνεται επιβάλλει τους δικούς του περιορισμούς. Το ιρίδιο είναι το πιο ανθεκτικό στη διάβρωση από τα μέταλλα της πλατίνας και το ρόδιο είναι πολύτιμο για τη συγκράτηση του σε υψηλή θερμοκρασία.

Δομικές εφαρμογές

Επειδή η καθαρή ανοπτημένη πλατίνα είναι πολύ μαλακή, είναι επιρρεπής σε γρατσουνιές και φθορά. Για να αυξηθεί η σκληρότητά του, είναι κράμα με πολλά άλλα στοιχεία. Τα κοσμήματα από πλατίνα είναι πολύ δημοφιλή στην Ιαπωνία όπου ονομάζονται "hakkin" και "λευκό χρυσό". Τα κράματα κοσμημάτων περιέχουν 90% Pt και 10% Pd, το οποίο είναι εύκολο στη μηχανή και τη συγκόλληση. Η προσθήκη ρουθηνίου αυξάνει τη σκληρότητα του κράματος ενώ διατηρεί την αντίσταση στην οξείδωση. Τα κράματα πλατίνας, παλλαδίου και χαλκού χρησιμοποιούνται σε σφυρηλάτηση επειδή είναι πιο σκληρά από το παλλάδιο της πλατίνας και είναι λιγότερο ακριβά.

Τα χωνευτήρια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μονοκρυστάλλων στη βιομηχανία ημιαγωγών απαιτούν αντοχή στη διάβρωση και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Για αυτήν την εφαρμογή, πλατίνα, πλατίνα-ρόδιο καιιρίδιο. Τα κράματα πλατίνας-ροδίου χρησιμοποιούνται στην κατασκευή θερμοστοιχείων, τα οποία είναι σχεδιασμένα να μετρούν υψηλές θερμοκρασίες έως και 1800 °C. Το παλλάδιο χρησιμοποιείται τόσο σε καθαρή όσο και σε μικτή μορφή σε ηλεκτρικές συσκευές (50% της κατανάλωσης), σε οδοντικά κράματα (30%). Το ρόδιο, το ρουθήνιο και το όσμιο χρησιμοποιούνται σπάνια στην καθαρή τους μορφή - χρησιμεύουν ως πρόσθετο κράματος για άλλα μέταλλα της ομάδας πλατίνας.

Catalysts

Περίπου το 42% του συνόλου της πλατίνας που παράγεται στη Δύση χρησιμοποιείται ως καταλύτης. Από αυτά, το 90% χρησιμοποιείται σε συστήματα εξάτμισης αυτοκινήτων, όπου πυρίμαχα σφαιρίδια ή κηρήθρες επικαλυμμένα με πλατίνα (καθώς και παλλάδιο και ρόδιο) βοηθούν στη μετατροπή άκαυστων υδρογονανθράκων, μονοξειδίου του άνθρακα και οξειδίων του αζώτου σε νερό, διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο.

Ένα κράμα πλατίνας και ροδίου 10% με τη μορφή ενός καυτό μεταλλικού πλέγματος καταλύει την αντίδραση μεταξύ αμμωνίας και αέρα για την παραγωγή οξειδίων του αζώτου και νιτρικού οξέος. Όταν τροφοδοτείται μαζί με ένα μείγμα αμμωνίας, μπορεί να ληφθεί μεθάνιο υδροκυανικό οξύ. Στη διύλιση πετρελαίου, η πλατίνα στην επιφάνεια των σφαιριδίων αλουμίνας στον αντιδραστήρα καταλύει τη μετατροπή μορίων λαδιού μακράς αλυσίδας σε διακλαδισμένες ισοπαραφίνες, οι οποίες είναι επιθυμητές σε μείγματα βενζίνης υψηλού οκτανίου.

Ηλεκτρομετάλλευση

Όλα τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας μπορούν να επιμεταλλωθούν. Λόγω της σκληρότητας και της λαμπρότητας της προκύπτουσας επίστρωσης, το ρόδιο χρησιμοποιείται πιο συχνά. Αν και αυτότο κόστος είναι υψηλότερο από την πλατίνα, η χαμηλότερη πυκνότητα επιτρέπει τη χρήση μικρότερης μάζας υλικού με συγκρίσιμο πάχος.

Το παλλάδιο είναι το μέταλλο της ομάδας πλατίνας που είναι το πιο εύκολο στη χρήση για εφαρμογές επίστρωσης. Λόγω αυτού, η αντοχή του υλικού αυξάνεται σημαντικά. Το ρουθήνιο έχει βρει χρήση σε εργαλεία κατεργασίας με τριβή χαμηλής πίεσης.

Χημικές ενώσεις

Οργανικά σύμπλοκα μετάλλων της ομάδας πλατίνας, όπως σύμπλοκα αλκυλολευκοχρύσου, χρησιμοποιούνται ως καταλύτες στον πολυμερισμό ολεφινών, την παραγωγή πολυπροπυλενίου και πολυαιθυλενίου και την οξείδωση του αιθυλενίου σε ακεταλδεΰδη.

Τα άλατα πλατίνας χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στη χημειοθεραπεία του καρκίνου. Για παράδειγμα, αποτελούν μέρος φαρμάκων όπως η καρβοπλατίνη και η σισπλατίνη. Τα ηλεκτρόδια επικαλυμμένα με οξείδιο του ρουθηνίου χρησιμοποιούνται για την παραγωγή χλωρίου και χλωρικού νατρίου. Θειικό και φωσφορικό ρόδιο χρησιμοποιούνται σε λουτρά επιμετάλλωσης ροδίου.