Platinum groep metalen: overzicht, lijst, eigenschappen en toepassingen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Metalen uit de platinagroep zijn zes edele kostbare chemische elementen die naast elkaar in het periodiek systeem staan. Het zijn allemaal overgangsmetalen van 8-10 groepen van 5-6 perioden.

Platinum groep metalen lijst

De groep bestaat uit de volgende zes chemische elementen, gerangschikt in oplopende volgorde van atoomgewicht:

• Ru – ruthenium.
• Rh – rhodium.
• Pd – palladium.
• Os – osmium.
• Ir – iridium.
• Pt – platina.

Metalen uit de platinagroep hebben een zilverwitte tint, behalve osmium, dat blauwachtig wit is. Hun chemisch gedrag is paradoxaal omdat ze zeer resistent zijn tegen de meeste reagentia, maar worden gebruikt als katalysatoren, die gemakkelijk de snelheid van oxidatie-, reductie- en hydrogeneringsreacties versnellen of regelen.

Ruthenium en osmium kristalliseren tot een hexagonaal dicht opeengepakt systeem, terwijl andere een kubusvormige structuur in het midden hebben. Dit wordt weerspiegeld in de grotere hardheid van ruthenium en osmium.

Ontdekkingsgeschiedenis

Hoewel platinahoudende gouden artefacten dateren uit 700 voor Christus. e., de aanwezigheid van dit metaal is meer een ongeluk dan een patroon. De jezuïeten in de 16e eeuw noemden dichte grijze kiezelstenen geassocieerd met alluviale goudafzettingen. Deze stenen konden niet worden gesmolten, maar ze vormden een legering met goud, terwijl de blokken broos werden en het niet langer mogelijk was ze schoon te maken. De kiezelstenen werden bekend als platina del Pinto, korrels van zilverachtig materiaal uit de Pinto-rivier, die uitmondt in de San Juan-rivier in Colombia.

Kneedbaar platina, dat alleen kan worden verkregen na volledige zuivering van het metaal, werd in 1789 door de Franse natuurkundige Chabano geïsoleerd. Hiervan werd een beker gemaakt die aan paus Pius VI werd aangeboden. De ontdekking van palladium in 1802 werd gerapporteerd door de Engelse chemicus William Wollaston, die de chemicus noemde. element van de platina-metaalgroep ter ere van de asteroïde. Wollaston beweerde vervolgens een andere stof in platinaerts te hebben ontdekt. Hij noemde het rhodium vanwege de roze kleur van de metaalzouten. De ontdekkingen van iridium (vernoemd naar de regenbooggodin Iris vanwege de bonte kleur van de zouten) en osmium (van het Griekse woord voor "geur" vanwege de chloorgeur van het vluchtige oxide) werden gedaan door de Engelse chemicus Smithson Tennant in 1803. Franse wetenschappers Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix en Nicolas-Louis Vauquelin isoleerden de twee metalen tegelijkertijd. Ruthenium, het laatste geïsoleerde en geïdentificeerde element, kreeg zijn naam van de Latijnse naam voor Rusland van de Russische chemicus Karl Karlovich Klaus in 1844.

In tegenstelling totuit dergelijke gemakkelijk te isoleren in een relatief zuivere toestand door eenvoudige vuurverfijnende stoffen zoals goud, zilver, metalen uit de platinagroep vereisen een complexe waterchemische behandeling. Deze methoden waren pas aan het einde van de 19e eeuw beschikbaar, dus de identificatie en isolatie van de platinagroep viel duizenden jaren achter op zilver en goud. Bovendien beperkte het hoge smeltpunt van deze metalen het gebruik ervan totdat onderzoekers in Groot-Brittannië, Frankrijk, Duitsland en Rusland methoden ontwikkelden om platina om te zetten in een werkbare vorm. Hoe de edelmetalen van de platinagroep sinds 1900 in sieraden werden gebruikt. Hoewel deze toepassing vandaag de dag nog steeds relevant is, heeft de industriële deze deze ver overtroffen. Palladium werd een zeer gewild contactmateriaal in telefoonrelais en andere bekabelde communicatiesystemen, met een lange levensduur en hoge betrouwbaarheid, terwijl platina, vanwege zijn weerstand tegen vonkerosie, werd gebruikt in bougies van gevechtsvliegtuigen tijdens de Tweede Wereldoorlog.

Na de oorlog zorgde de uitbreiding van moleculaire conversietechnieken in de aardolieraffinage voor een enorme vraag naar de katalytische eigenschappen van de metalen uit de platinagroep. In de jaren zeventig nam het verbruik nog meer toe toen de emissienormen voor auto's in de VS en andere landen ertoe leidden dat deze chemicaliën werden gebruikt bij de omzetting van katalytische uitlaatgassen.

Ores

Exclusief kleine placerafzettingen van platina, palladiumen osmisch iridium (een legering van iridium en osmium), is er praktisch geen erts waarin het hoofdbestanddeel een chemisch element zou zijn - een metaal uit de platinagroep. Mineralen worden meestal aangetroffen in sulfide-ertsen, met name pentlandiet (Ni, Fe)₉S₈. De meest voorkomende zijn lauriet RuS_{2, irarsite, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiridium (Ir, Os), cooperite, (PtS) en braggite (Pt, Pd) S.}

'S Werelds grootste afzetting van metalen uit de platinagroep is het Bushveld-complex in Zuid-Afrika. Grote voorraden grondstoffen zijn geconcentreerd in de Sudbury-afzettingen in Canada en de Norilsk-Talnakhskoye-afzetting in Siberië. In de VS bevinden de grootste afzettingen van mineralen uit de platinagroep zich in Stillwater, Montana, maar hier zijn ze veel kleiner dan in Zuid-Afrika en Rusland. De grootste platinaproducenten ter wereld zijn Zuid-Afrika, Rusland, Zimbabwe en Canada.

Extractie en verrijking

De belangrijkste Zuid-Afrikaanse en Canadese afzettingen worden geëxploiteerd volgens de mijnmethode. Vrijwel alle metalen uit de platinagroep worden teruggewonnen uit koper- of nikkelsulfidemineralen met behulp van flotatiescheiding. Het smelten van het concentraat levert een mengsel op dat in een autoclaaf uit de koper- en nikkelsulfiden wordt gewassen. Vast uitloogresidu bevat 15 tot 20% metalen uit de platinagroep.

Soms wordt zwaartekrachtscheiding gebruikt voorafgaand aan flotatie. Het resultaat is een concentraat dat tot 50% platinametalen bevat, waardoor smelten niet meer nodig is.

Mechanische eigenschappen

Metalen van de platinagroep verschillen aanzienlijk in mechanische eigenschappen. Platina en palladium zijn vrij zacht en zeer kneedbaar. Deze metalen en hun legeringen kunnen zowel warm als koud worden bewerkt. Rhodium wordt eerst warm bewerkt en kan later koud worden bewerkt met vrij frequent gloeien. Iridium en ruthenium moeten worden verwarmd, ze kunnen niet koud worden bewerkt.

Osmium is het hardste van de groep en heeft het hoogste smeltpunt, maar de neiging om te oxideren legt zijn eigen beperkingen op. Iridium is de meest corrosiebestendige van de platinametalen en rhodium wordt gewaardeerd om zijn hoge temperatuurbehoud.

Structurele toepassingen

Omdat schoon gegloeid platina erg zacht is, is het gevoelig voor krassen en bederf. Om de hardheid te vergroten, is het gelegeerd met vele andere elementen. Platina-sieraden zijn erg populair in Japan, waar het "hakkin" en "wit goud" wordt genoemd. Juwelenlegeringen bevatten 90% Pt en 10% Pd, wat gemakkelijk te bewerken en te solderen is. De toevoeging van ruthenium verhoogt de hardheid van de legering terwijl de weerstand tegen oxidatie behouden blijft. Legeringen van platina, palladium en koper worden gebruikt in smeedstukken omdat ze harder zijn dan platina-palladium en minder duur zijn.

Smeltkroezen die worden gebruikt voor de productie van eenkristallen in de halfgeleiderindustrie, vereisen corrosieweerstand en stabiliteit bij hoge temperaturen. Voor deze toepassing zijn platina, platina-rhodium eniridium. Platina-rhodiumlegeringen worden gebruikt bij de vervaardiging van thermokoppels, die zijn ontworpen om verhoogde temperaturen tot 1800 °C te meten. Palladium wordt zowel in zuivere als gemengde vorm gebruikt in elektrische apparaten (50% van het verbruik), in tandheelkundige legeringen (30%). Rhodium, ruthenium en osmium worden zelden in hun pure vorm gebruikt - ze dienen als legeringsadditief voor andere metalen uit de platinagroep.

Katalysatoren

Ongeveer 42% van al het in het Westen geproduceerde platina wordt gebruikt als katalysator. Hiervan wordt 90% gebruikt in uitlaatsystemen van auto's, waar met platina (evenals palladium en rhodium) gecoate vuurvaste pellets of honingraten helpen om onverbrande koolwaterstoffen, koolmonoxide en stikstofoxiden om te zetten in water, kooldioxide en stikstof.

Een legering van platina en 10% rhodium in de vorm van een gloeiend hete metalen gaas katalyseert de reactie tussen ammoniak en lucht om stikstofoxiden en salpeterzuur te produceren. Bij toevoer samen met een mengsel van ammoniak kan methaanblauwzuur worden verkregen. Bij aardolieraffinage katalyseert platina op het oppervlak van aluminiumoxidepellets in de reactor de omzetting van oliemoleculen met lange keten in vertakte isoparaffinen, die wenselijk zijn in benzinemengsels met een hoog octaangetal.

galvaniseren

Alle metalen uit de platinagroep kunnen worden gegalvaniseerd. Vanwege de hardheid en glans van de resulterende coating wordt rhodium het meest gebruikt. Hoewel hetde kosten zijn hoger dan die van platina, de lagere dichtheid maakt het gebruik van een kleinere massa materiaal met een vergelijkbare dikte mogelijk.

Palladium is het metaal uit de platinagroep dat het gemakkelijkst te gebruiken is voor coatingtoepassingen. Hierdoor wordt de sterkte van het materiaal aanzienlijk vergroot. Ruthenium is gebruikt in bewerkingsgereedschappen voor lagedrukwrijving.

Chemische verbindingen

Organische metaalcomplexen uit de platinagroep, zoals alkylplatinacomplexen, worden gebruikt als katalysatoren bij de polymerisatie van olefinen, de productie van polypropyleen en polyethyleen en de oxidatie van ethyleen tot aceetaldehyde.

Platinumzouten worden steeds vaker gebruikt bij kankerchemotherapie. Ze maken bijvoorbeeld deel uit van medicijnen als Carboplatin en Cisplatin. Met rutheniumoxide beklede elektroden worden gebruikt bij de productie van chloor en natriumchloraat. Rhodiumsulfaat en fosfaat worden gebruikt in rhodiumbaden.