Ομάδες Platinum Group: Επισκόπηση, Λίστα, Ιδιότητες και Εφαρμογές

Τα μέταλλα της ομάδας λευκοχρύσου είναι έξι ευγενή πολύτιμα χημικά στοιχεία που βρίσκονται δίπλα-δίπλα στον περιοδικό πίνακα. Όλα αυτά είναι μεταβατικά μέταλλα των 8-10 ομάδων της περιόδου 5-6.

Μέταλλα της ομάδας πλατίνας: κατάλογος

Η ομάδα αποτελείται από τα ακόλουθα έξι χημικά στοιχεία που έχουν ταξινομηθεί κατά σειρά αυξανόμενου ατομικού βάρους:

• Το Ru είναι ρουθήνιο.
• Το Rh είναι ρόδιο.
• Το Pd είναι παλλάδιο.
• Το Os είναι όσμιο.
• Το Ir είναι ιρίδιο.
• Pt είναι λευκόχρυσος.

Τα μέταλλα της ομάδας λευκοχρύσου έχουν μια ασημένια λευκή απόχρωση, με εξαίρεση το όσμιο, το χρώμα του οποίου είναι ασπρόμαυρο. Η χημική συμπεριφορά τους είναι παράδοξη στο ότι είναι πολύ ανθεκτική στα περισσότερα αντιδραστήρια, αλλά χρησιμοποιείται ως καταλύτες που επιταχύνουν ή ελέγχουν εύκολα τον ρυθμό αντιδράσεων οξείδωσης, αναγωγής και υδρογόνωσης.

Το ρουθήνιο και το οσμίου κρυσταλλώνουν σε ένα εξάγωνο στενό σύστημα, ενώ άλλα έχουν μια κυβική δομή με κέντρο το πρόσωπο. Αυτό εκφράζεται με την μεγαλύτερη σκληρότητα του ρουθηνίου και του οσμίου.

Ιστορία της ανακάλυψης

Αν και τα χρυσά αντικείμενα που περιέχουν πλατίνα χρονολογούνται στο 700 π.Χ. Ε. Η παρουσία αυτού του μετάλλου είναι πιο πιθανό ένα ατύχημα παρά μια κανονικότητα. Οι Ιησουίτες στο XVI αιώνα ανέφεραν γκρι πυκνά βότσαλα που σχετίζονταν με προσμείξεις χρυσού προσχώματος. Αυτές οι πέτρες δεν μπορούσαν να λειωθούν, αλλά σχημάτιζαν κράμα με χρυσό, ενώ οι πλινθώματα έγιναν εύθραυστες και ήταν ήδη αδύνατο να καθαριστούν. Τα βότσαλα έγιναν γνωστά ως platina del Pinto, ένα σφαιρίδιο από αργυρόχαρτο από τον ποταμό Pinto, που ρέει στον ποταμό San Juan της Κολομβίας.

Η σφυρηλατημένη πλατίνα, η οποία μπορεί να ληφθεί μόνο μετά από πλήρη καθαρισμό του μετάλλου, απομονώθηκε από το γαλλικό φυσικό Shabano το 1789. Από αυτό έγινε ένα κύπελλο, που παρουσιάστηκε στον Πάπα Πίου VI. Η ανακάλυψη του παλλαδίου το 1802 αναφέρθηκε από τον αγγλικό χημικό William Wollaston, ο οποίος τον ονόμασε. Στοιχείο της ομάδας μετάλλου λευκόχρυσου προς τιμήν του αστεροειδούς. Ο Wollaston ανακοίνωσε στη συνέχεια την ανακάλυψη μιας άλλης ουσίας που υπάρχει στο μετάλλευμα πλατίνας. Το αποκαλούσε ρόδιο λόγω του ροζ χρώματος των μεταλλικών αλάτων. Οι ανακαλύψεις του ιριδίου (μετά την ονομασία της θεάς του Ιριδικού ουράνιου τόξου λόγω του ποικίλου χρώματος των αλάτων του) και του οσμίου (από την ελληνική λέξη "μυρωδιά" λόγω της μυρωδιάς του χλωρίου του πτητικού οξειδίου) έγιναν από τον Άγγλο χημικό Smithson Tennant το 1803. Οι γάλλοι επιστήμονες Ippolit-Victor Kolle-Descoty, Antoine-Francois Fourcroix και Nicolas-Louis Vauquelin ξεχώρισαν δύο μέταλλα την ίδια στιγμή. Το Ruthenium, το τελευταίο απομονωμένο και αναγνωρισμένο στοιχείο, πήρε το όνομά του από το λατινικό όνομα της Ρωσίας από το ρωσικό χημικό Karl Karlovich Klaus το 1844.

Σε αντίθεση με αυτές τις εύκολα απομονωμένες ουσίες σε σχετικά καθαρή κατάσταση με απλή ραφινάρισμα, όπως το χρυσό, το ασήμι, τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας απαιτούν πολύπλοκη χημική επεξεργασία νερού. Αυτές οι μέθοδοι δεν ήταν διαθέσιμες μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνα, οπότε η ταυτοποίηση και η απομόνωση της ομάδας πλατίνας παρέμεινε πίσω από το ασήμι και το χρυσό για χιλιάδες χρόνια. Επιπλέον, το υψηλό σημείο τήξης αυτών των μετάλλων περιόρισε τη χρήση τους μέχρις ότου οι ερευνητές στη Βρετανία, τη Γαλλία, τη Γερμανία και τη Ρωσία ανέπτυξαν μεθόδους για τη μετατροπή της πλατίνας σε μορφή κατάλληλη για επεξεργασία. Καθώς τα πολύτιμα μέταλλα της ομάδας πλατίνας άρχισαν να χρησιμοποιούνται στα κοσμήματα από το 1900. Παρόλο που μια τέτοια εφαρμογή παραμένει σχετική σήμερα, ο κλάδος έχει ξεπεράσει πολύ. Το παλλάδιο έχει γίνει ένα πολύ περιζήτητο υλικό για επαφές στα τηλεφωνικά ρελέ και σε άλλα συστήματα καλωδίων επικοινωνίας, παρέχοντας μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή αξιοπιστία και ο λευκόχρυσος, λόγω της αντοχής του στη διάβρωση με σπινθήρες, χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του Β Παγκοσμίου Πολέμου στα μπουζί των πολεμικών αεροσκαφών.

Μετά τον πόλεμο, η επέκταση των μεθόδων μοριακής μετατροπής κατά την επεξεργασία του πετρελαίου δημιούργησε τεράστια ζήτηση για τις καταλυτικές ιδιότητες που κατέχουν τα μέταλλα της ομάδας 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 στοιχείων στην καταλυτική μετατροπή των καυσαερίων.

Ορυκτό

Με εξαίρεση τις μικρές προσχωσιγενείς αποθέσεις πλατίνας, παλλαδίου και οσμίου ιριδίου (κράμα ιριδίου-οσμίου), δεν υπάρχει ουσιαστικά κανένα μεταλλεύμα στο οποίο το χημικό στοιχείο, το μέταλλο της ομάδας πλατίνας, θα είναι το κύριο συστατικό. Τα ορυκτά γενικά απαντώνται σε θειούχα μεταλλεύματα, ιδιαίτερα σε πενταντίτη (Ni, Fe) ₉ S ₈ . Τα πιο συνηθισμένα είναι το Laurite RuS ₂ , το ιραψίτη, (Ir, Ru, Rh, Pt) AsS, οσμιρίδιο (Ir, Os), cuperite (PtS) και braggite (Pt, Pd)

Η μεγαλύτερη κατάθεση πλατφόρμων μετάλλων στον κόσμο είναι το συγκρότημα Bushveld στη Νότιο Αφρική. Τα μεγάλα αποθέματα πρώτων υλών συγκεντρώνονται στις καταθέσεις Sudbury στον Καναδά και Norilsk-Talnakh στη Σιβηρία. Στις ΗΠΑ, οι μεγαλύτερες εναποθέσεις ορυκτών ομάδας πλατίνας βρίσκονται στο Stillwater, Montana, αλλά εδώ είναι πολύ λιγότερες από ό, τι στη Νότιο Αφρική και τη Ρωσία. Οι μεγαλύτεροι παραγωγοί πλατίνας παγκοσμίως είναι η Νότια Αφρική, η Ρωσία, η Ζιμπάμπουε και ο Καναδάς.

Εξόρυξη και επεξεργασία

Οι κύριες καταθέσεις της Νοτίου Αφρικής και του Καναδά λειτουργούν με τη μέθοδο του ορυχείου. Ουσιαστικά όλα τα μέταλλα της ομάδας λευκοχρύσου εξάγονται από χαλκό ή θειούχα μέταλλα νικελίου με διαχωρισμό επίπλευσης. Η τήξη του συμπυκνώματος παράγει ένα μίγμα το οποίο εκπλένεται με σουλφίδια χαλκού και νικελίου σε ένα αυτόκλειστο. Το στερεό υπόλειμμα έκπλυσης περιέχει από 15 έως 20% των μετάλλων της ομάδας λευκοχρύσου.

Μερικές φορές χρησιμοποιείται διαχωρισμός βαρύτητας πριν από την επίπλευση. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται ένα συμπύκνωμα που περιέχει έως και 50% μέταλλα λευκοχρύσου, πράγμα που εξαλείφει την ανάγκη για τήξη.

Μηχανικές ιδιότητες

Τα μέταλλα της ομάδας λευκοχρύσου είναι σημαντικά διαφορετικά στις μηχανικές ιδιότητες. Ο λευκόχρυσος και το παλλάδιο είναι μάλλον μαλακοί και πολύ εύκαμπτοι. Με αυτά τα μέταλλα και τα κράματά τους είναι δυνατή η εργασία τόσο σε ζεστό όσο και σε κρύο κατάσταση. Το ρόδιο αρχικά υποβάλλεται σε θερμή επεξεργασία και αργότερα μπορεί να αντιμετωπιστεί με κρύο με αρκετά συχνή ανόπτηση. Το ιρίδιο και το ρουθήνιο πρέπει να θερμαίνονται, να ψύχονται, να μην προσφέρονται.

Το όσμιο είναι το πιο δύσκολο από την ομάδα και έχει το υψηλότερο σημείο τήξης, αλλά η τάση του για οξείδωση επιβάλλει τους περιορισμούς του. Το ιρίδιο είναι το ανθεκτικότερο στη διάβρωση των μετάλλων πλατίνας και το ρόδιο αποτιμάται για τη διατήρηση των ιδιοτήτων του σε υψηλές θερμοκρασίες.

Δομικές εφαρμογές

Δεδομένου ότι η ανηγμένη πλατίνα είναι πολύ μαλακή, είναι ευαίσθητη στις γρατζουνιές και στην αλλοίωση. Για να αυξήσει την σκληρότητα, είναι συγχωνευμένο με πολλά άλλα στοιχεία. Το κόσμημα πλατίνας είναι πολύ δημοφιλές στην Ιαπωνία, όπου ονομάζεται "hakkin" και "λευκό χρυσό". Κράματα για κοσμήματα περιέχουν 90% Pt και 10% Pd, το οποίο είναι εύκολο να χειριστεί και να κολλήσει. Η προσθήκη ρουθηνίου αυξάνει την σκληρότητα του κράματος, ενώ διατηρεί την αντοχή του στην οξείδωση. Κράματα πλατίνας, παλλαδίου και χαλκού χρησιμοποιούνται σε πλαστά προϊόντα, επειδή είναι σκληρότερα από το λευκόχρυσο-παλλάδιο και λιγότερο δαπανηρά.

Τα χωνευτήρια που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μονών κρυστάλλων στη βιομηχανία ημιαγωγών απαιτούν αντοχή στη διάβρωση και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Για αυτή την εφαρμογή, η πλατίνα, η πλατίνα-ρόδιο και το ιρίδιο είναι τα καλύτερα κατάλληλα. Τα κράματα πλατίνας-ροδίου χρησιμοποιούνται στην παραγωγή θερμοστοιχείων, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για τη μέτρηση αυξημένων θερμοκρασιών μέχρι τους 1800 ° C. Το παλλάδιο χρησιμοποιείται τόσο σε καθαρή όσο και σε μικτή μορφή σε ηλεκτρικές συσκευές (50% κατανάλωση), σε οδοντικά κράματα (30%). Το ρόδιο, το ρουθήνιο και το όσμιο χρησιμοποιούνται σπάνια σε καθαρή μορφή - χρησιμεύουν ως πρόσθετο κράματος για άλλα μέταλλα της ομάδας λευκοχρύσου.

Καταλύτες

Περίπου το 42% του συνόλου της πλατίνας που παράγεται στη Δύση χρησιμοποιείται ως καταλύτης. Από αυτά, το 90% χρησιμοποιείται στα συστήματα εξάτμισης για αυτοκίνητα, όπου τα πυρίμαχα σφαιρίδια ή οι δομές με κυψέλες πλατίνας (καθώς και το παλλάδιο και το ρόδιο) συμβάλλουν στη μετατροπή των άκαυστων υδρογονανθράκων, του μονοξειδίου του άνθρακα και των οξειδίων του αζώτου σε νερό, διοξείδιο του άνθρακα και άζωτο.

Το κράμα πλατίνας και 10% ρόδιο υπό μορφή κόκκινου καυτού μεταλλικού πλέγματος χρησιμεύει ως καταλύτης στην αντίδραση μεταξύ αμμωνίας και αέρα για την παραγωγή οξειδίων του αζώτου και νιτρικού οξέος. Όταν παρέχεται με ένα μίγμα αμμωνίας, το μεθάνιο μπορεί να παράγει κυανιούχο άλας. Στο εξευγενισμό του πετρελαίου, η πλατίνα στην επιφάνεια των κόκκων οξειδίου αργιλίου στον αντιδραστήρα είναι ένας καταλύτης για τη μετατροπή των μορίων ελαίου μακριάς αλυσίδας σε διακλαδισμένες ισοπαραφίνες, οι οποίες είναι επιθυμητές σε ένα μίγμα βενζινών υψηλού οκτανίου.

Γαλβανοποίηση

Όλα τα μέταλλα της ομάδας πλατίνας μπορούν να εφαρμοστούν γαλβανικά. Λόγω της σκληρότητας και της στιλπνότητας της λαμβανόμενης επίστρωσης χρησιμοποιείται συχνότερα ρόδιο. Αν και το κόστος της είναι υψηλότερο από το κόστος της πλατίνας, μια χαμηλότερη πυκνότητα καθιστά δυνατή τη χρήση μικρότερης μάζας υλικού σε συγκρίσιμο πάχος.

Το παλλάδιο είναι ένα μέταλλο της ομάδας πλατίνας, το οποίο είναι το πιο εύκολο στη χρήση για την επίστρωση. Εξαιτίας αυτού, η αντοχή του υλικού αυξάνεται σημαντικά. Το ρουθήνιο έχει βρει εφαρμογή σε εργαλεία σχεδιασμένα για επεξεργασία με τριβή σε χαμηλή πίεση.

Χημικές ενώσεις

Τα οργανικά σύμπλοκα μετάλλων ομάδας πλατίνας, όπως τα σύμπλοκα αλκυλοπλατίνης, χρησιμοποιούνται ως καταλύτες στη διαδικασία πολυμερισμού ολεφινών, παραγωγής πολυπροπυλενίου και πολυαιθυλενίου, καθώς και στην οξείδωση αιθυλενίου προς ακεταλδεΰδη.

Τα άλατα πλατίνας χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στη χημειοθεραπεία του καρκίνου. Για παράδειγμα, είναι μέρος τέτοιων φαρμάκων όπως "Carboplatinum" και "Cisplatinum". Καλύπτονται με ηλεκτρόδια οξειδίου ρουθηνίου χρησιμοποιούνται στην παραγωγή χλωρίου και χλωρικού νατρίου. Το θειικό και το φωσφορικό ρόδιο χρησιμοποιούνται σε λουτρά με ρόδιο .