Металлы платиновой группы: обзор, список, свойства и применение

Металлы платиновой группы или платиноиды – это коллекция из шести химических элементов серебристо-белого цвета (за исключением осмия, наделённого голубовато-белым оттенком), обладающие сходными физико-химическими свойствами и входящими в список драгоценных (благородных) металлов. В их числе присутствуют:

• Иридий – твёрдый тугоплавкий металл, обладающий высочайшим уровнем коррозионной стойкости даже при повышенных температурах.
• Осмий – самый тяжёлый металл, плохо поддающийся механической обработке.
• Палладий – серебристо-белый пластичный металл, присутствующий в природе в виде кристаллов.
• Платина – один из самых редких и дорогих среди всех благородных металлов.
• Родий – твёрдый металлический минерал, хорошо отражающий электромагнитные лучи в видимом спектре изображения.
• Рутений – тугоплавкий высоко инертный металл.

Металлы платиновой группы: список

Группа состоит из следующих шести химических элементов, расположенных в порядке возрастания атомного веса:

• Ru – рутений.
• Rh – родий.
• Pd – палладий.
• Os – осмий.
• Ir – иридий.
• Pt – платина.

Металлы платиновой группы обладают серебристо-белым оттенком, за исключением осмия, цвет которого голубовато-белый. Их химическое поведение парадоксально в том, что они обладают высокой устойчивостью к воздействию большинства реагентов, но используются в качестве катализаторов, легко ускоряющих или контролирующих скорость окисления, восстановления и реакций гидрирования.

Рутений и осмий кристаллизуются в гексагональную плотноупакованную систему, а другие обладают гранецентрированной кубической структурой. Это выражается в большей твердости рутения и осмия.

Хранение и транспортировка

Порядок обращения с драгоценными металлами и камнями, в том числе и с платиноидами, строго регламентирован соответствующей Инструкцией, утверждённой Минфином России Приказом №231н от 09.12.16. Согласно которой должна быть обеспечена сохранность и защита ценностей от вредных воздействий на протяжении всех возможных операций. В список возможных операций входят:

• обращение,
• производство,
• переработка,
• использование,
• транспортировка,
• хранение.

Ответственность за выполнение требований, предъявляемых к хранению и транспортировке драгметаллов, несут руководители, материально ответственные лица, а также непосредственные исполнители.

История открытия

Хотя платиносодержащие золотые артефакты датированы 700 г. до н. э., присутствие этого металла является, скорее, случайностью, чем закономерностью. Иезуиты в XVI веке упоминали серые плотные камешки, связанные с аллювиальными месторождениями золота. Эти камешки нельзя было расплавить, но они образовывали сплав с золотом, при этом слитки становились ломкими, и их уже было невозможно очистить. Камешки стали называть platina del Pinto – гранулы серебристого материала из реки Пинто, впадающей реку Сан-Хуан в Колумбии.

Ковкая платина, которую можно получить только после полной очистки металла, была выделена французским физиком Шабано в 1789 году. Из нее был сделан кубок, преподнесенный папе Пию VI. Об открытии палладия в 1802 году сообщил английский химик Уильям Волластон, который назвал хим. элемент группы платиновых металлов в честь астероида. Волластон впоследствии заявлял об обнаружении еще одного вещества, присутствующего в платиновой руде. Его он назвал родием из-за розового цвета солей металла. Открытия иридия (по имени богини радуги Ириды из-за пестрой окраски его солей) и осмия (от греческого слова «запах» из-за хлорного запаха его летучего окисла) были сделаны английским химиком Смитсоном Теннантом в 1803 году. Французские ученые Ипполит-Виктор Колле-Дескоти, Антуан-Франсуа Фуркруа, и Николя-Луи Воклен выделили два металла одновременно. Рутений, последний изолированный и идентифицированный элемент, получил свое название по латинскому наименованию России от русского химика Карла Карловича Клауса в 1844 году.

В отличие от таких легко выделяемых в относительно чистом состоянии путем простого огневого рафинирования веществ, как золото, серебро, металлы платиновой группы требуют сложной водно-химической обработки. Эти методы не были доступны до конца 19 века, поэтому выявление и изоляция платиновой группы отстала от серебра и золота на тысячи лет. Кроме того, высокая температура плавления этих металлов ограничивала их применение, пока исследователи в Британии, Франции, Германии и России не разработали методы преобразования платины в форму, пригодную для обработки. Как драгоценные металлы платиновой группы начали использоваться в ювелирных изделиях с 1900 года. Хотя такое применение остается актуальным и сегодня, промышленное намного его превзошло. Палладий стал очень востребованным материалом для контактов в телефонных реле и других системах проводной коммуникации, обеспечивая длительный срок службы и высокую надежность, а платина, из-за своей устойчивости к искровой эрозии, во время Второй мировой войны стала применяться в свечах зажигания боевых самолетов.

После войны расширение методов молекулярной конверсии при переработке нефти создало огромный спрос на каталитические свойства, которыми обладают металлы платиновой группы. К 1970-м годам потребление выросло еще больше, когда стандарты автомобильных выбросов в США и других странах привело к использованию данных химических элементов в каталитической конверсии выхлопных газов.

Руды

За исключением малых россыпных месторождений платины, палладия и осмистого иридия (сплава иридия и осмия), практически нет руды, в которой бы основным компонентом был химический элемент – металл платиновой группы. Минералы, как правило, содержатся в сульфидных рудах, в частности в пентландите (Ni, Fe)9S8. Наиболее распространены лаурит RuS2, ирарсит, (Ir,Ru,Rh,Pt)AsS, осмиридиум (Ir,Os), куперит, (PtS) и браггит (Pt,Pd)S.

Крупнейшее в мире месторождение металлов платиновой группы – Бушвельдский комплекс в ЮАР. Большие запасы сырья сосредоточены в месторождениях Садбери в Канаде и Норильско-Талнахском в Сибири. В США наибольшие залежи минералов платиновой группы расположены в Стилуотере, Монтана, но здесь они значительно меньше, чем в ЮАР и России. Крупнейшими в мире производителями платины являются Южная Африка, Россия, Зимбабве и Канада.

Мировые запасы

На начало III-го тысячелетия подтверждённые залежи платины по странам мира составляют:

• ЮАР – 23 950 тонн.
• Россия – 2200 тонн.
• Зимбабве – 326 тонн.
• Канада – 200 тонн.
• Китай – 120 тонн.
• Общемировые запасы – 27 050 тонн.

Запасы остальных платиноидов (иридия, осмия, палладия, родия, рутения):

• ЮАР – 49 920 тонн.
• Россия – 6 220 тонн.
• Зимбабве – 594 тонн.
• Канада – 520 тонн.
• США – 310 тонн.
• Общемировые ресурсы оцениваются в 58 170 тонн.

Добыча и обогащение

Основные южноафриканские и канадские месторождения эксплуатируются шахтным способом. Практически все металлы платиновой группы извлекаются из медных или никелевых сульфидных минералов с помощью флотационной сепарации. Плавка концентрата производит смесь, которая вымывается из меди и сульфидов никеля в автоклаве. Твердый остаток выщелачивания содержит от 15 до 20% металлов платиновой группы.

Иногда до флотации используется гравитационное разделение. В результате получается концентрат, содержащий до 50% платиновых металлов, что избавляет от необходимости выплавки.

Механические свойства

Металлы платиновой группы значительно отличаются механическими свойствами. Платина и палладий довольно мягкие и очень ковкие. С этими металлами и их сплавами можно работать как в горячем, так и в холодном состоянии. Родий сначала обрабатывают горячим, а позже его можно обрабатывать холодным с довольно частым отжигом. Иридий и рутений должны быть нагреты, холодной обработке они не поддаются.

Осмий – самый твердый из группы и имеет наиболее высокую температуру плавления, но его склонность к окислению накладывает свои ограничения. Иридий наиболее коррозионностойкий из платиновых металлов, а родий ценится за сохранение своих свойств при высоких температурах.

Платина

Платина известна издревле, а название произошло с испанского языка: «маленькое серебро». Конкистадоры, это первые европейцы, которые познакомились с платиной в середине 16 века в Южной Америке. А в 1735 году король Испании издал указ, по которому следовало топить платину в реке и не ввозить в страну. Позже речку назвали Платино-дель-Пинто. Указ был отменен только через сорок лет, для фальсифицирования золотых и серебряных монет мадридскими властями. Позже с платиной познакомились алхимики, но посчитали ее непригодной. Но во Франции она все же нашла свое применение в виде эталона метра, а затем килограмма. В России металл назвали белым золотом, найдя его в россыпном золоте.

Платина, это один из редчайших металлов, ведь в земной коре ее содержания невелико. Главными месторождениями платины являются: Россия, США (2 крупных рудника: Stillwater, East Bouder), Китай, Зимбабве (9 тонн), ЮАР (Бушвельский комплекс).

В России данный металл МПГ обладает уникальной базой, с огромным количеством месторождений, основной из которых расположен в Зареченске (Мурманской области).

Добыча платины это трудоемкий процесс, двух видов:

1. Открытый способ добычи: на вторичных россыпных месторождениях. Там платина концентрируется в результате разрушений первичной породы.
2. Закрытый способ добычи: на первичных месторождениях, с постройкой шахт, просверливанием отверстий в породах, закладке взрывчатки и самого взрыва.

Платина это драгоценный металл, который используют в ювелирном деле и промышленности. Свойства платины широки:

• тяжелее, чем золото и серебро;
• не окисляется;
• не вступает в реакции с другими элементами при нагреве;
• пластичный металл;
• обладает хорошей электропроводностью;
• не растворяется под воздействием кислот;
• высокая температура плавления;
• хорошая ковкость.

Область применения платины достаточно широкое и не ограничивается ювелирным производством, ведь она обладает уникальной красотой и благородством. В настоящее время рост на металл растет, так как используют ее и в промышленности. Итак, применения платины:

• ювелирное производство, для изготовления разного вида украшений;
• медицина;
• химическая индустрия;
• судостроение;
• авиастроение;
• космическая сфера;
• стекольная отрасль;
• банковское дело.

Структурные применения

Поскольку дочиста отожженная платина очень мягкая, она восприимчива к царапинам и порче. Для увеличения твердости ее сплавляют со множеством других элементов. Платиновые драгоценности очень популярны в Японии, где ее называется «хаккин» и «белое золото». Сплавы для ювелирных изделий содержат 90% Pt и 10% Pd, который легко обрабатывать и паять. Добавление рутения повышает твердость сплава, сохраняя стойкость к окислению. Сплавы платины, палладия и меди используются в кованых изделиях, так как они тверже платино-палладиевых и менее затратны.

Тигли, используемые для производства монокристаллов в полупроводниковой промышленности, требуют коррозионной устойчивости и стабильности при высоких температурах. Для этого применения лучше всего подходят платина, платина-родий и иридий. Платинородиевые сплавы используются в производстве термопар, которые предназначены для измерения повышенных температур до 1800 °C. Палладий применяют как в чистом, так и в смешанном виде в электрических устройствах (50% потребления), в стоматологических сплавах (30%). Родий, рутений и осмий редко используются в чистом виде – они служат легирующей добавкой для других металлов платиновой группы.

Катализаторы

Около 42% всей платины, произведенной на Западе, используется в качестве катализатора. Из них 90% применяется в автомобильных выхлопных системах, где тугоплавкие гранулы или сотовые конструкции с платиновым покрытием (а также палладиевым и родиевым) содействуют преобразованию несгоревших углеводородов, окиси углерода и окислов азота в воду, углекислый газ и азот.

Сплав платины и 10% родия в виде раскаленной докрасна металлической сетки служит катализатором в реакции между аммиаком и воздухом для получения окислов азота и азотной кислоты. При подаче вместе со смесью аммиака метана можно получить синильную кислоту. При переработке нефти платина на поверхности гранул оксида алюминия в реакторе является катализатором преобразования длинноцепочечных молекул нефти в разветвленные изопарафины, которые желательны в смеси высокооктановых бензинов.

Осмий

Чистого осмия в природе нет, он находится в комплексе с родием. Месторождения осмия сконцентрированы в: Африке (юг), Тасмании, Австралии, США, Канаде, Россие, Колумбия, ЮАР (самые большие запасы).

Характеристики осмия:

• серебристо-голубые кристаллы;
• резкий запах, при взаимодействии с веществами;
• не растворяется в щелочах и кислотах, смеси соляной и азотной кислот;
• химическая инертность;
• порошковый осмий — сырье для продукции, медленно подвержен к растворению;
• твердый и хрупкий;
• тугоплавкий;
• высокая плотность: самый тяжелый металл.

Гальваника

Все металлы платиновой группы можно наносить гальванически. Из-за твердости и блеска получаемого покрытия наиболее часто применяется родий. Хотя его стоимость выше, чем платины, меньшая плотность позволяет использовать меньшую массу материала при сопоставимой толщине.

Палладий – металл платиновой группы, который проще всего использовать для нанесения покрытий. Благодаря этому прочность материала значительно повышается. Рутений нашел применение в инструментах, предназначенных для обработки трением при низком давлении.

Палладий

На сегодня, палладий самый дорогой металл платиновой группы, который используется в промышленности.

В конце 17 века бразильские горнодобывающие рабочие нашли сплав, похожий на содержание золота или платины. Химик У. Волластон проработал взаимодействие неочищенной платиной с соляной и азотной кислотами, и добавкой цианида ртути. После выпал желтый осадок, который он нагрел с серой и бурой. Получив шарики из металла и, назвав металл — палладий.

Название металл получил в честь астероида. Этот металл платиновой группы встречается в природе очень редко в чистом в виде. А чаще в комплексе с другими металлами (золото, серебро, платина).

Добывают металл также двумя способами:

• на коренных (первичных) месторождениях;
• на россыпи, в виде самородка и составляют всего 2% от всей добычи металла.

Главные месторождения палладия:

• Канада;
• США;
• Колумбия;
• Австрия;
• ЮАР.

В России также происходит добыча палладия, сконцентрированная на Урале. Главными свойствами палладия являются:

• низкая плотность;
• химическая инертность;
• внешне напоминает серебро;
• высокая ковкость;
• эластичность, что позволяет использовать в изготовлении украшений;
• температура плавления 1555 градусов;
• поддается обработке;
• непрочный металл при механическом воздействии;
• растворяется при воздействии смеси серной и азотной кислот;
• может образовывать соединения с иными химическими элементами ( бор, хлор, сера, кремний);
• не вступает в реакции;
• не окисляется в природе.

Области применения палладия

• Ювелирная сфера, добавляя металл в сплавы;
• производство катализаторов для автомобилей, для дожигания выхлопных газов по нормам ЕС;
• медицина: изготовление элементов для кардиостимуляторов, инструментов, посуды;
• химическая отрасль: изготавливают колбы и емкости, а также для очищения водорода;
• электронная сфера: военно-аэрокосмическая техника;
• инвестиционная деятельность: покупка слитков.

Химические соединения

Органические комплексы металлов платиновой группы, такие как комплексы алкилплатины, используются в качестве катализаторов в процессе полимеризации олефинов, производстве полипропилена и полиэтилена, а также при окислении этилена в ацетальдегид.

Соли платины находят все более широкое применение в химиотерапии рака. Например, они входят в состав таких лекарств, как «Карбоплатин» и «Цисплатин». Покрытые оксидом рутения электроды используются в производстве хлора и хлората натрия. Сульфат и фосфат родия применяются в родиевых гальванических ваннах.