Platinarühma metallid: ülevaade, loetelu, omadused ja rakendused

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-02 13:53

Plaatinarühma metallid on kuus vääriskeemilist vääriselementi, mis paiknevad perioodilisuse tabelis kõrvuti. Kõik need on 8–10 rühma 5–6 perioodiga siirdemetallid.

Plaatinarühma metallide loend

Rühm koosneb järgmisest kuuest keemilisest elemendist, mis on järjestatud aatommassi järgi kasvavas järjekorras:

• Ru – ruteenium.
• Rh – roodium.
• Pd – pallaadium.
• Os – osmium.
• Ir – iriidium.
• Pt – plaatina.

Plaatinarühma metallidel on hõbevalge toon, välja arvatud osmium, mis on sinakasvalge. Nende keemiline käitumine on paradoksaalne, kuna need on enamiku reagentide suhtes väga vastupidavad, kuid neid kasutatakse katalüsaatoritena, mis kiirendavad või kontrollivad kergesti oksüdatsiooni-, redutseerimis- ja hüdrogeenimisreaktsioonide kiirust.

Ruteenium ja osmium kristalliseeruvad kuusnurkseks tihed alt pakitud süsteemiks, samas kui teistel on näokeskne kuubistruktuur. See kajastub ruteeniumi ja osmiumi suuremas kõvaduses.

Avastuste ajalugu

Kuigi plaatinat sisaldavad kuldesemed pärinevad aastast 700 eKr. e., selle metalli olemasolu on pigem õnnetus kui muster. Jesuiidid mainisid 16. sajandil tihedaid halle veerisid, mis olid seotud loopealsete kullamaardlatega. Neid kive ei saanud sulatada, kuid need moodustasid kullaga sulami, kusjuures valuplokid muutusid rabedaks ja neid polnud enam võimalik puhastada. Kivikesed said tuntuks kui platina del Pinto, hõbedase materjali graanulid Pinto jõest, mis suubub Colombias San Juani jõkke.

Tempermalmist plaatina, mida on võimalik saada alles pärast metalli täielikku puhastamist, eraldas prantsuse füüsik Chabano 1789. aastal. Sellest valmistati paavst Pius VI-le kingitud pokaal. Pallaadiumi avastamisest 1802. aastal teatas inglise keemik William Wollaston, kes andis sellele keemiale nime. plaatina metallirühma element asteroidi auks. Seejärel väitis Wollaston, et avastas plaatinamaagist veel ühe aine. Ta nimetas seda roodiumiks metallisoolade roosa värvuse tõttu. Iriidiumi (nimetatud vikerkaarejumalanna Irise järgi selle soolade kirju värvi tõttu) ja osmiumi (kreekakeelsest sõnast "lõhn" lenduva oksiidi kloorilõhna tõttu) avastused tegi inglise keemik Smithson Tennant aastal. 1803. Prantsuse teadlased Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix ja Nicolas-Louis Vauquelin eraldasid need kaks metalli korraga. Ruteenium, viimane isoleeritud ja tuvastatud element, sai oma nime Venemaa ladinakeelse nimetuse järgi vene keemikult Karl Karlovitš Klausilt 1844. aastal.

Erinev alt meeldimisestsellistest kergesti eraldatavatest suhteliselt puhtas olekus lihtsate tulega rafineerimisainetega, nagu kuld, hõbe, plaatinarühma metallid, nõuavad keerulist vee-keemilist töötlemist. Need meetodid olid kättesaadavad alles 19. sajandi lõpus, nii et plaatinarühma tuvastamine ja eraldamine jäi hõbedast ja kullast tuhandete aastate võrra alla. Lisaks piiras nende metallide kõrge sulamistemperatuur nende kasutamist, kuni Suurbritannia, Prantsusmaa, Saksamaa ja Venemaa teadlased töötasid välja meetodid plaatina muutmiseks kasutatavaks vormiks. Kuidas plaatinarühma väärismetalle hakati ehetes kasutama alates 1900. aastast. Kuigi see rakendus on tänapäeval endiselt aktuaalne, on tööstuslik rakendus sellest kaugelt ületanud. Pallaadiumist sai väga nõutud kontaktmaterjal telefonireleedes ja muudes juhtmega sidesüsteemides, tagades pika eluea ja suure töökindluse, samas kui plaatinat kasutati sädemeerosioonile vastupidavuse tõttu II maailmasõja ajal lahingulennukite süüteküünaldes.

Pärast sõda tekitas nafta rafineerimisel kasutatavate molekulaarsete muundamise tehnikate laienemine tohutu nõudluse plaatinarühma metallide katalüütiliste omaduste järele. 1970. aastateks kasvas tarbimine veelgi, kui autode heitgaaside standardid USA-s ja teistes riikides viisid nende kemikaalide kasutamiseni heitgaaside katalüütilises muundamises.

Maagid

Välja arvatud väikesed plaatina, pallaadiumi ladestusedja osmiline iriidium (iriidiumi ja osmiumi sulam), praktiliselt puudub maak, milles põhikomponendiks oleks keemiline element - plaatinarühma metall. Mineraale leidub tavaliselt sulfiidmaakides, eelkõige pentlandiidis (Ni, Fe)₉S₈. Kõige levinumad on lauriit RuS_{2, irarsiit, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiriidium (Ir, Os), kooperiit, (PtS) ja braggiit (Pt, Pd) S.}

Maailma suurim plaatinarühma metallide leiukoht on Bushveldi kompleks Lõuna-Aafrikas. Suured toorainevarud on koondunud Sudbury maardlatesse Kanadas ja Norilsk-Talnahskoje maardlasse Siberis. USA-s asuvad suurimad plaatinarühma mineraalide leiukohad Montana osariigis Stillwateris, kuid siin on need palju väiksemad kui Lõuna-Aafrikas ja Venemaal. Maailma suurimad plaatinatootjad on Lõuna-Aafrika Vabariik, Venemaa, Zimbabwe ja Kanada.

Ekstraheerimine ja rikastamine

Peamisi Lõuna-Aafrika ja Kanada maardlaid käitatakse kaevandusmeetodil. Peaaegu kõik plaatinarühma metallid saadakse vask- või nikkelsulfiidmineraalidest flotatsioonieralduse abil. Kontsentraadi sulatamisel saadakse segu, mis pestakse autoklaavis vase- ja nikkelsulfiididest välja. Tahke leostusjääk sisaldab 15–20% plaatinarühma metalle.

Mõnikord kasutatakse enne floteerimist gravitatsioonilist eraldamist. Tulemuseks on kontsentraat, mis sisaldab kuni 50% plaatinametalle, mistõttu ei ole vaja sulatada.

Mehaanilised omadused

Plaatinarühma metallid erinevad oluliselt mehaaniliste omaduste poolest. Plaatina ja pallaadium on üsna pehmed ja väga tempermalmist. Neid metalle ja nende sulameid saab töödelda nii kuum alt kui ka külm alt. Roodiumi töödeldakse esm alt kuum alt ja hiljem saab seda külmtöödelda üsna sagedase lõõmutusega. Iriidiumi ja ruteeniumi tuleb kuumutada, neid ei saa külmtöödelda.

Osmium on rühma kõige kõvem aine ja kõrgeima sulamistemperatuuriga, kuid selle kalduvus oksüdeeruda seab omad piirangud. Iriidium on plaatinametallidest kõige korrosioonikindlam ja roodium on hinnatud kõrge temperatuuri säilitamise tõttu.

Struktuurirakendused

Kuna puhas lõõmutatud plaatina on väga pehme, on see vastuvõtlik kriimustustele ja kulumisele. Kõvaduse suurendamiseks legeeritakse see paljude teiste elementidega. Plaatinaehted on Jaapanis väga populaarsed, kus neid nimetatakse "hakkiniks" ja "valgeks kullaks". Ehetesulamid sisaldavad 90% Pt ja 10% Pd, mida on lihtne töödelda ja jootma. Ruteeniumi lisamine suurendab sulami kõvadust, säilitades samas oksüdatsioonikindluse. Sepistes kasutatakse plaatina, pallaadiumi ja vase sulameid, kuna need on plaatinapallaadiumist kõvemad ja odavamad.

Pooljuhtide tööstuses monokristallide tootmiseks kasutatavad tiiglid nõuavad korrosioonikindlust ja stabiilsust kõrgetel temperatuuridel. Selle rakenduse jaoks plaatina, plaatina-roodiumi jairiidium. Plaatina-roodiumi sulameid kasutatakse termopaaride valmistamisel, mis on ette nähtud kõrgendatud temperatuuride mõõtmiseks kuni 1800 °C. Pallaadiumi kasutatakse nii puhtal kui sega kujul elektriseadmetes (50% tarbimisest), hambasulamites (30%). Roodiumi, ruteeniumi ja osmiumi kasutatakse puhtal kujul harva – need toimivad legeeriva lisandina teistele plaatinarühma metallidele.

Katalüsaatorid

Katalüsaatorina kasutatakse umbes 42% kogu läänes toodetud plaatinast. Neist 90% kasutatakse autode väljalaskesüsteemides, kus plaatina (samuti pallaadiumi ja roodiumiga) kaetud tulekindlad pelletid või kärgstruktuurid aitavad muundada põlemata süsivesinikke, süsinikmonooksiidi ja lämmastikoksiide veeks, süsinikdioksiidiks ja lämmastikuks.

Plaatina ja 10% roodiumi sulam kuuma metallvõrgu kujul katalüüsib ammoniaagi ja õhu vahelist reaktsiooni, mille tulemusena tekivad lämmastikoksiidid ja lämmastikhape. Kui toidetakse koos ammoniaagi seguga, võib saada metaanvesiniktsüaniidhapet. Nafta rafineerimisel katalüüsib reaktoris alumiiniumoksiidi graanulite pinnal olev plaatina pika ahelaga õlimolekulide muundumist hargnenud isoparafiinideks, mis on soovitavad kõrge oktaanarvuga bensiinisegudes.

Elektroplastimine

Kõiki plaatinarühma metalle saab galvaniseerida. Saadud katte kõvaduse ja sära tõttu kasutatakse kõige sagedamini roodiumi. Kuigi seemaksumus on kõrgem kui plaatina, väiksem tihedus võimaldab kasutada väiksema massiga võrreldava paksusega materjali.

Pallaadium on plaatinarühma metall, mida on kõige lihtsam kasutada katmiseks. Tänu sellele suureneb oluliselt materjali tugevus. Ruteeniumit on kasutatud madalrõhuhõõrdetöötlustööriistades.

Keemilised ühendid

Orgaanilisi plaatinarühma metallikomplekse, nagu alküülplaatina kompleksid, kasutatakse katalüsaatoritena olefiinide polümerisatsioonil, polüpropüleeni ja polüetüleeni tootmisel ning etüleeni oksüdeerimisel atseetaldehüüdiks.

Plaatinasoolasid kasutatakse vähi keemiaravis üha enam. Näiteks on need osa sellistest ravimitest nagu karboplatiin ja tsisplatiin. Ruteeniumoksiidiga kaetud elektroode kasutatakse kloori ja naatriumkloraadi tootmisel. Roodiumsulfaati ja fosfaati kasutatakse roodiumkatte vannides.