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鉑族金屬

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鉑族金屬;在礦物分類中,鉑族元素礦物屬自然鉑亞族,包括銥、銠、鈀和鉑的自然元素礦物。它們彼此之間廣泛存在類質同象置換現象,從而形成一系列類質同象混合晶體,由鉑族元素礦物熔煉的金屬有等。鉑族金屬包括鉑(Pt)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)六種金屬。

目錄

貴金屬鉑金

鈀金首飾-白色貴金屬新寵,國際時尚流行飾品鉑金、鈀金為鉑族裡蘊藏量最小的兩種礦物,此二種的冶金性質相當類似,因其同樣稀有、用途相類似,所以常在各種應用上互做替代品。

鉑族金屬以其特別可貴的性能和資源珍稀而着稱;與金、銀合稱「貴金屬」。但其發現與利用相對於金、銀來說要晚得多。金、銀飾品在人類紀元之前的墓葬中就有發現,而人類對鉑族金屬的了解和利用,不過兩百多年的歷史。其中鉑發現最早,1735 年由尤爾洛(A.De.Ulloa)發現,其餘幾種元素都遲至19世紀才陸續有所了解,如鈀是1804年由沃拉斯頓(W.H.Wollaston)發現,釕是1845年科勞斯(K.Claus)發現。雖然發現較晚,但很快了解到它們有一些可貴的功能,因而被廣泛應用於現代工業和尖端技術中。因此被稱為「現代貴金屬」。據報道,從公元前4000年到19世紀末,全球累計產金2.9萬t,19世紀世界平均年產金123t;到1973~1980年,世界平均年產金量達1375t。鉑族金屬的世界產量從1969年開始超過100t,80年代末便翻了一番,達到200t(張文朴,1997),90年代初年產近 300t。從這些數據不難體會出「貴金屬」與「現代貴金屬」深層的涵義:二者都是珍稀而貴重,而鉑族元素雖然絕對數量比不上金、銀,但其發展的速度深刻體現出「現代」的涵義。

特性

鉑族金屬既具有相似的物理化學性質,又有各自的特性。它們的共同特性是:除了鋨和釕為鋼灰色外,其餘均為銀白色;熔點高、強度大、電熱性穩定、抗電火花蝕耗性高、抗腐蝕性優良、高溫抗氧化性能強、催化活性良好。各自的特性又決定了不同的用途。例如鉑還有良好的塑性和穩定的電阻與電阻溫度係數,可鍛造成鉑絲、鉑箔等;它不與氧直接化合,不被酸、鹼侵蝕,只溶於熱的王水中;鈀可溶於濃硝酸,室溫下能吸收其體積350~850倍的氫氣。銠和銥不溶於王水,能與熔融氫氧化鈉和過氧化鈉反應,生成溶解於酸的化合物;鋨與釕不溶於王水,卻易氧化成四氧化物。它們的主要物理和機械性質見表3.17.1。

鉑族元素

目前已發現200 余種鉑族元素礦物。可分為4大類:①自然金屬:自然鉑、自然鈀、自然銠、自然鋨等;②金屬互化物:鈀鉑礦、鋨銥礦、釕鋨銥礦,以及鉑族金屬與鐵、鎳、銅、金、銀、鉛、錫等以金屬鍵結合的金屬互化物;③半金屬互化物:鉑、鈀、銥、鋨等與鉍、碲、硒、銻等以金屬鍵或具有相當金屬鍵成分的共價鍵型化合物;④硫化物與砷化物。鉑族元素的主要礦物及其組成見表3.17.2。工業礦物主要有砷鉑礦、自然鉑、等軸鉍碲鈀礦、碲鈀礦、砷鉑鋨礦、碲鈀銥礦及鉍碲鈀鎳礦。砷鉑礦和等軸鉍碲鈀礦多見於原生鉑礦床,自然鉑多產於砂鉑礦。&Nbsp; 貴稀金屬是貴金屬和稀有金屬的總稱。 由於金和銀由人民銀行專營, 物資部門經營的貴金屬主要是鉑族元素, 而硒、 碲、 砷屬稀散元素, 通常稱為半金屬 .。

鉑:鉑是銀白色金屬, 熔點為 1769 度, 密度為 21.45g /cm3, 主要用於電氣儀表 、 化學工業及製作精密合金等。

鈀:鈀是銀灰色金屬, 熔點 1552 度, 密度 12.16g /cm3, 可塑性好, 在貴金屬中耐蝕性較差, 供電氣、 儀表 、化工工業及製作精密合金等用 .。

銠:銠是煙灰色金屬, 熔點為 1960 度, 密度為 12.44g /cm3, 是脆性金屬。 供電氣 、 儀表 、 高溫合金及精密合金等用 .。

銥:銥是銀灰色金屬, 熔點為 2443 度, 是貴金屬中熔點最高的。 密度為 22.4g /cm3, 是脆性金屬, 化學性質穩定, 耐酸鹼腐蝕, 硬度高。 用於電氣、 化學、 儀表、 輕工等方面, 配製精密合金。

鎵:液態鎵為銀白色金屬, 固態鎵為藍色結晶金屬, 質地柔軟, 熔點為 29.8 度, 密度是 5.9g /cm3, 在空氣中化學性能穩定, 鎵主要用於半導體工業、 製作溫度計、 配製易熔金屬等。

銦:銦是銀白色金屬, 熔點 156.6 度, 密度為 7.31g /cm3, 比鉛還軟, 延展性好, 化學性能穩定, 主要用於配製貴金屬合金, 低熔點合金, 軸承合金以及、 電鍍等工業方面。

硒:硒是黑色或深灰色玻璃狀無定型錠塊 ( 紅硒與灰硒為硒的結晶變體, 主成分不變 ), 屬於稀散元素, 也稱半金屬。 硒的熔點為 220 度, 沸點為 685 度, 密度為 40808g /cm3, 質脆, 主要用於製造整流器、 硒感光板、 複印硒鼓、 合金、 搪瓷和玻璃工業等方面。

碲:碲是一種銀灰色半金屬, 屬稀散元素, 熔點為 450 度, 密度為 6.24g /cm3, 質脆, 具有很高的電阻係數, 是逆磁性金屬, 所以是良好的半導體材料。 主要用來製作半導體器件、 合金、 化工原料及鑄鐵、 橡膠、 玻璃等產品的添加劑。

砷:砷是銀灰色半金屬, 屬稀散元素。 砷的熔點為 814 度, 在 613 度時即升華, 砷在空氣中易氧化, 砷的氧化物有劇毒 ( 俗稱砒霜 ), 砷的密度為 5.73G /cm3, 不溶於水, 也不溶於有機溶劑, 用於製作合金和半導體器件等。

發現  南美洲的印第安人很早就知道鉑。西班牙人到南美後,稱自然鉑為「小銀」(platina)。使歐洲人知道「小銀」 的第一個人是西班牙人德·烏略阿。此後即參照platina命名鉑為platinum。1741年伍德(C.Wood)把「小銀」帶到歐洲,引起了科學家的興趣。1803年英國人沃拉斯頓 (W.H.Wollaston)確立了提純鉑的工藝,同時還從鉑的王水溶液中分離出兩個新的元素鈀和銠。前者按希臘神話中智慧女神Pallas命名為palladium;後者因為其鹽類具有玫瑰紅色,以希臘字rhodon(玫瑰)命名為rhodium。1804年英國人坦南特(S.Tennant)從自然鉑的王水不溶物中發現了鋨和銥。因為鋨的四氧化物具有強揮發性並有與氯氣相似的刺激味,銥的鹽類呈多種色彩,分別以希臘字osme(氣味)和iris(虹)命名為osmium和 iridium。1844年俄國人克勞斯(κ.κлаус)發現釕,以拉丁文Ruthenia(俄羅斯)命名為ruthenium。

來源

當一個星體由紅巨星變為白矮星時,密度會劇增,此時,原本的輕核就會結合為重核,也就會形成那些重金屬,然後當這些星球爆發時,那些重核就留在四周的空間中,部分就來到了地球。

性質

主要物理性質

鉑族金屬除鋨為藍灰色金屬外,其他均為銀白色金屬。大多數鉑族金屬都能吸收氣體,特別是氫氣。鈀吸氫

能力最強,常溫下1體積鈀能吸收900~2800體積的氫。在真空下加熱到100℃,溶解的氫就完全放出來了。鈀有吸氫和透氫的特性:一定體積的鈀常溫下能吸收比它本身大900倍甚至2800倍的氫氣(見貯氫材料)。鉑吸收氧的能力強,1體積鉑可吸收70體積的氧。當粒度很細如鉑黑、鈀黑或呈膠態時,吸附能力更強,故它們有良好的催化特性。 純鉑和鈀有良好的延展性,不經中間退火的冷塑性變形量可達到90%以上,能加工成微米級的細絲和箔。銠和銥的高溫強度很好,但冷塑性加工性能稍差。鋨和釕硬度高,但機械加工性能差,用粉末冶金方法製得的金屬釕在1150~1500℃時才能進行少量塑性加工,而鋨即使在高溫下也幾乎不能進行塑性加工。

主要化學性質

鉑族金屬是典型的貴金屬,其化學穩定性特別高,具有很好的抗腐蝕和抗氧化能力。它們能抵抗普通酸和化學試劑的腐蝕,鉑不與普通酸作用,但能緩慢地溶解於王水中生成氯鉑酸(H2PtCl6)。鈀在鉑族中較為活潑,對酸的抗蝕能力稍差,能很快溶於硝酸。銥、銠、釕能抗單一的酸和化學試劑侵蝕,甚至王水也很難溶解它們。

鉑和銠的抗氧化性很好,在空氣中能長期保持光澤,不被氧化。在高溫下鉑和銠與氧氣作用生成揮發性的氧化物,增加它的蒸發速度。粉末狀的銥在空氣或氧氣中於 600℃時氧化,生成一層氧化銥(IrO2)薄膜。這種氧化物在高於1100℃時分解,使金屬恢復原有光澤。銥是惟一可以在氧化性氣氛中使用到2300℃而不嚴重損失的金屬。釕、鋨容易被氧化,在室溫下,鋨的表面就生成藍色的氧化膜(OsO2)。四氧化鋨(OsO4)和四氧化釕(RuO4)都是揮發性的有毒化合物,能刺激粘膜,侵害皮膚。

鉑族金屬均為過渡金屬,有多個化合價,其穩定的化合價為:釕+3,銠+3,鈀+2、+4,鋨+3、+4,銥+3、+4,鉑+2、+4。它們都有強烈生成絡合物的傾向,最常見的配位數為4和6。

鉑具有優良的熱電穩定性、和高溫抗氧化性和高溫抗腐蝕性。鈀能吸收比其體積大2800倍的氫,且氫可以在鈀中自由通行。銥和銠能抗多種氧化劑的侵蝕,有很好的機械性能。釕能與氨結合,但不起化學反應,類似某些細菌所特有的性能。鋨很脆和很硬,體積彈性模量最大。鋨、釕都易氧化,其氧化物有刺激性,毒性大等等。

分類

目前已發現200 余種鉑族元素礦物。可分為4大類:

自然金屬

自然鉑、自然鈀、自然銠、自然鋨等;

金屬互化物

鈀鉑礦、鋨銥礦、釕鋨銥礦,以及鉑族金屬與鐵、鎳、銅、金、銀、鉛、錫等以金屬鍵結合的金屬互化物;

半金屬互化物

鉑、鈀、銥、鋨等與鉍、碲、硒、銻等以金屬鍵或具有相當金屬鍵成分的共價鍵型化合物;

硫化物與砷化物

鉑族元素的主要礦物及其組成見表3.17.2。工業礦物主要有砷鉑礦、自然鉑、等軸鉍碲鈀礦、碲鈀礦、砷鉑鋨

資源

早期的鉑礦來源於哥倫比亞,現在的主要產地為南非、蘇聯、加拿大等。南非鉑礦一部分是天然的鉑鐵合金,一部分以硫化物形式與鐵、鎳、銅的硫化礦共存;已探明的可采儲量約18000噸,總儲量達62200噸,礦石品位3~8克/噸。加拿大的鉑族金屬主要以硫化物和砷化物與銅、鎳硫化礦伴生。可采儲量280噸,總儲量497噸,礦石品位0.5~0.8克/噸。蘇聯鉑礦有砂礦和共生礦,可采儲量6220噸,總儲量12440噸,礦石品位8~10克/噸。此外,中國、美國、澳大利亞等均有共生礦床。所有礦石中,鉑與其他鉑族金屬總是共存的。鉑族中,鉑、鈀的量最大,二者合計約占鉑族總量的90%。其他銠、銥、鋨、釕合計僅約占鉑族總量的10%。前蘇聯礦石中的鈀約占鉑族總量的60%,其他國家的礦多以鉑為主。

性質用途

鉑族金屬除鋨為藍灰色金屬外,其他均為銀白色金屬。它們對普通的酸和化學試劑有優良的抗蝕性能。鉑不與普通酸作用,但能緩慢地溶解於王水中生成氯鉑酸(H2PtCl6)。鈀對酸的抗蝕能力稍差,能很快地溶解於硝酸中。銥、銠、釕能抗單一的酸和化學試劑的侵蝕,甚至在王水中也很難溶解。

鉑和銠的抗氧化性很好,在空氣中能長期保持光澤。在高溫下鉑和銠與氧氣作用生成揮發性的氧化物,增加它的蒸發速度。粉末狀的銥在空氣或氧氣中於 600℃時氧化,生成一層氧化銥(IrO2)薄膜。這種氧化物在高於1100℃時分解,使金屬恢復原有光澤。銥是惟一可以在氧化性氣氛中使用到2300℃而不嚴重損失的金屬。釕、鋨容易被氧化,在室溫下,鋨的表面就生成藍色的氧化膜(OsO2)。四氧化鋨(OsO4)和四氧化釕(RuO4)都是揮發性的有毒化合物,能刺激粘膜,侵害皮膚。鈀有吸氫和透氫的特性:一定體積的鈀常溫下能吸收比它本身大900倍甚至2800倍的氫氣(見貯氫材料)。鉑和鈀對氣體有很強的吸附能力,當粒度很細(如鉑黑、鈀黑)或呈膠態(如膠體鉑)時,吸附能力就更強,因此它們具有優良的催化特性(見金屬催化劑)。鉑族金屬為過渡金屬,有多個化合價,最穩定的化合價如下:釕為+3;銠為+3;鈀為+2,+4;鋨為+3,+4;銥為+3,+4;鉑為+2,+4。它們有生成絡合物的強烈傾向,最常見的是生成配位數4或6的絡合物。總之,它們的化學性質很複雜。

銠金的元素用途多樣,可用來製造加氫催化劑、熱電偶、鉑銠合金等。也常鍍在探照燈和反射鏡上。還用來作為寶石的加光拋光劑和電的接觸部件。

純鉑和鈀有良好的延展性,不經中間退火的冷塑性變形量可達到90%以上,能加工成微米級的細絲和箔。銠和銥的高溫強度很好,但冷塑性加工性能稍差。用粉末冶金方法製得的金屬釕在1150~1500℃時才能進行少量塑性加工,而鋨即使在高溫下也幾乎不能進行塑性加工。[1]

參考文獻

  1. 鉑族金屬簡介道客巴巴網,2012-04-11