Металлы платиновой группы: обзор, список, свойства и применение

Металлы платиновой группы, имеющие и иное название — платиноиды, это 6 химических элементов: платина; иридий; осмий; палладий; родий; рутений. У них схожие характеристики. Они относятся к металлам благородным, драгоценным. В природе основные их источники — природные месторождения, в том числе и на территории России (т.н. Норильская группа), которая в мире занимает 2-е место по разведанным запасам этих химических элементов.

Обычно платиноиды принято подразделять на две триады, а именно: тяжелые металлы – осмий (атомный — 77, латинское обозначение – Os), иридий (77, Ir), платина (78, Pt); лёгкие – рутений (44, Ru), родий (45, Rh), палладий (46, Pd).

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.

Как отличить платину от других металлов

Белое золото отличается от платины тем, что платина — естественно белый металл, в то время как золото становится белым путем различных примесей к желтому сплаву серебра/никеля/палладия. Причем не так давно были открыты аллергические свойства никеля, поэтому его активно заменяют палладием. Золото достаточно часто покрывают родием для большей «серебристости» оттенка, который со временем тускнеет при ношении изделия.

Платина всегда будет «чище» других сплавов, обладая высокой 950 пробой, а это значит, что примесей других металлов практически нет, что снижает возникновение аллергических реакций до минимума. Достаточно редко встречаются пробы 850 и 900, изделия при этом получаются более тусклыми. Золото же изготавливается с пробой 500, 585 и в лучшем случае — 750.

Кольца из платины 950 пробы

Украшение из белого золота будет легче на десять процентов аналогичного из платины. Золото — очень мягкий металл, а платина — один из самых твёрдых сплавов, поэтому изделия не царапаются и не деформируются со временем.

Отличить платину от серебра ещё проще — последнее мягче даже золота и очень пластично. Более того, платина плотнее практически в два раза.

Исходя из всех достоинств и недостатков, несложно понять, лучше золото или платина? Помимо того, что платиновые украшения будут более долговечны и практичны, это еще и очень хороший способ вложения денег, ведь цена на металл продолжает регулярно расти.

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.

Что такое платина и как она выглядит

Платина — это драгоценный металл серебристо-белого цвета, который является одним из самых дорогих и редких на планете. Такое название она получила благодаря испанским конкистадорам, которые считали ее грязным металлом. Золото, найденное в сплаве вместе с платиной, считалось гнилым, потому что его невозможно было очистить от «серебришка».

Долгое время платина стоила вдвое дешевле серебра. Испанская корона запретила ввозить ее в страну, а найденные самородки повелевала собирать и топить на глубине рек и морей, чтобы избежать подделки серебряных монет. Самое интересное, что позже Испания отменила этот запрет, потому что сама стала фальсифицировать золото и серебро с помощью платины.

В это же время сталкиваются с «плохим серебром» алхимики, считавшие до этого самым тяжелым металлом золото. Из-за своей плотности платина была намного тяжелее, поэтому «искатели философского камня» наделили ее адскими чертами. Позже во Франции именно из платины был изготовлен эталон метра, а затем и эталон килограмма.

В России с платиной впервые столкнулись на Урале, назвав вначале ее «белым золотом». Запасы «нового сибирского металла» были столь велики, что Россия заняла первое место по добыче в мире. Самый крупный самородок был назван «Уральским гигантом» с массой около восьми килограмм, который по сей день хранится в Алмазном фонде.

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.

Земной и звездный роддом платины

Главные платиновые месторождения находятся в странах:

• Зимбабве;
• США;
• ЮАР;
• Китай;
• Россия.

Это примерно 90% мирового запаса (по расчетам некоторых аналитиков). Другие отдают те же 90% платины в природе одним южноафриканским месторождениям. Такая странная «аналитика» показывает, что недра Земли разведаны приблизительно.

Мелкие месторождения есть в Южной Америке, Канаде и ряде стран.

Об интересных и важных местах добычи «королевы металлов». Платину обнаруживают в россыпях, коренных ультраосновных породах.

Мировое производство платины (в тоннах в год) за последние десятилетия.

Процесс образования благородного металла происходил не только на Земле. Начинкой некоторых астероидов, падавших на Землю, были платиноиды.

Самая большая на земле «корзина» с платиной и платиноидами находится в ЮАР. Это Бушвельдский комплекс. Он похож на блюдце диаметром около 370 км. От краев блюдца к центру протягиваются горизонты (рифы), линзы, платиновые жилы. Их толщина от 1 до 90 метров; некоторые рифы разрабатываются открытым способом.

Здесь добывают ¾ всей платины.

У нас на Урале были богатейшие россыпные месторождения. С 1828 года страна чеканила платиновые монеты номиналом в 3, 6 и 12 рублей. Для монет использовался самородный металл, не очищенный от сопутствующих металлов. Монеты чеканили всего 17 лет, затем их стали изымать из обращения.

Через 100 лет уральские месторождения истощились.

Сейчас добыча «серебришка» ведется на Таймыре, на Кольском полуострове, в Хабаровском и Красноярском краях.

В центральном Онтарио ведется добыча никеля, палладия, а платина — «приз» добытчикам. Кстати, скорее всего, платиноиды тут внеземного происхождения. Когда-то тут упал огромный метеорит.

На шахте Lac des Iles в западном Онтарио способ добычи металлов платиновой группы — открытый. Недавно тут открыли подземный рудник, где содержание благородных платиноидов больше.

Здесь всего два рудника, оба в штате Монтана. Однако руда богатая, содержание платиноидов около 20 грамм на тонну руды.

В 2015 году близенько к Земле пролетел небольшой (диаметр менее километра) астероид. От массы других небесных тел отличается «начинкой». Ядро небесного камешка, как выяснили астрономы, состоит из платины, золота и других привлекательных металлов. Жалко, не поймали…

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.

Рутений

Рутений был открыт в Казани в 1844 году К. Клаусом. Он анализировал заводские платиновые осадки из Петербургского монетного двора. Он извлек из руды платину и некоторые платиновые металлы, после чего сплавил остатки с селитрой, извлекая растворимую в воде часть. А нерастворимый в воде осадок, взаимодействовал с царской водкой и высушил. К. Клаус обработал сухой остаток после дистилляции кипящей водой, добавил избыток поташа. Отделив осадок гидроокиси железа, он обнаружил элемент неизвестного происхождения темно-пурпурного оттенка раствора осадка в соляной кислоте. Рутений был назван в честь России (Ruthenia — Россия).

Добыча рутения всегда сопровождает добычу платины на россыпных и коренных месторождениях. Присутствует в качестве примесей в составе никелевой руды, медной руды. Также существуют искусственные источники добычи рутения, т.е. отходы ядерной промышленности. Основное месторождение данного металла платиновой группы, это ЮАР, Канада, Россия, Зимбабве.

Основные характеристики рутения:

• серебристо-белый блестящий или матовый цвет;
• обладает твердостью;
• тугоплавок;
• при сильном прокаливании на воздухе переходит в газовую фазу;
• растворяется медленно соляной кислотой при обычной температуре, при высокой температуре — быстро;
• газопоглотительная способность.

• Производство катализаторов;
• защитные покрытия;
• декоративные покрытия;
• в виде добавок к украшениям;
• добавка в элитные эмали и другое.

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.

Платиновые металлы – родий, палладий, осмий, иридий, рутений

Платиновые металлы, серебристо-белые и тугоплавкие, наряду с серебром и золотом, из-за красивого внешнего вида и высокой химической стойкости, относят к благородными металлами.

К платиновым металлами, или платиноидам относятся: рутений, родий, палладий, осмий и иридий.

Палладий и родий в 1803 году обнаружил в самородной платине английский ученый У. Х. Волластон. Палладий получил свое название от малой планеты (астероида) Паллады (открытой в 1802), а родий (от греч. rhodon – роза) назван по розовато-красному цвету его солей.

В 1804 году английский химик Смитсон Теннант в остатке после растворения самородной платины в царской водке открыл иридий (название от разнообразия окраски его соединений, от греч. iridos радужный) и осмий (названный так из-за резкого запаха его оксида, греч. osme – запах).

А в 1844 году К. К. Клаус при исследовании остатков от аффинажа (очистки) уральской самородной платины в Петербургском монетном дворе открыл еще один платиновый металл – рутений (от лат. Ruthenia – Россия).

Платиновые металлы принадлежат к наиболее редким элементам, их среднее содержание в земной коре крайне мало.

Самые редкие в земной коре – рутений и иридий (1·10-7% по массе), наиболее распространен осмий (5·10-6%).

Но что весьма интересно – весьма высоко среднее содержание платиноидов в каменных метеоритах (10-4 – 10-5 % по массе).

Платиновые металлы встречаются на Земле в основном в самородном виде, известны и немногочисленные соединения с серой, мышьяком и сурьмой.

Основным источником получения платиновых металлов служат сульфидные медно-никелевые руды, месторождения которых находятся в России (Норильск, Красноярский край), Канаде, ЮАР и других странах. Цена на палладий составляет около 200-300 долларов за килограмм

Иридий применяют в основном в виде сплава с платиной (до 10% иридия). Из платино-иридиевого сплава сделаны международные эталоны метра и килограмма. Из него также изготовляют тигли, в которых выращивают кристаллы для лазеров, из сплава иридия и осмия делают опоры для стрелок компасов и других приборов.

Из чистого иридия изготовляют тигли для кристаллов для лазера и полудрагоценные камни, используют для иридирования поверхностей ювелирных изделий («иридистое золото»), вследствие чего они приобретают светло-серый, очень блестящий оттенок.

Мировое производство иридия около 1000 кг в год, основные страны-производители – ЮАР, Канада, Россия. Стоимость иридия на мировом рынке около 200 долларов за грамм,

Родий способен сорбировать водород, является важным катализатором, ускоряющим химические реакции, также он входит в состав сплавов, обладающих высокой твердостью и стойкостью против истирания и окисления. Благодаря своей высокой отражающей способности (80% лучей видимой части спектра), а также высокой стойкостью против окисления является хорошим материалом для покрытия рефлекторов прожекторов и зеркал точных приборов. Из сплавов родий-платина изготовляют лабораторную и заводскую аппаратуру, проволоку для термоэлектрических пирометров. В ювелирном производстве родий используют в качестве защитно-декоративного покрытия родием ювелирных изделий из золота и серебра.

Родий имеет очень светлую окраску, и по виду напоминает серебро, но, в отличие от него, не темнеет на воздухе и поэтому родирование (покрытие слоем родия) применяется для защиты серебряных изделий от потемнения.

Родий входит в состав платиновых ювелирных сплавов (на территории России применяется лишь одна марка сплава платина – родий 950 пробы).

Цена родия составляет около 6500 долларов за тройскую унцию (31.1035 грамма).

Палладий применяется как катализатор на многих химические производствах, используется для изготовления специальной химической посуды, стойких к коррозии деталей высокоточных приборов, в производстве медицинских инструментов, деталей кардиостимуляторов, лекарств, а также служит для изготовления ювелирных изделий и для протезирования зубов.

Сплав золото-палладий, так называемое «белое золото», широко используются в ювелирном деле.

Палладий даже в незначительном количестве (1%) способен резко изменить цвет золота в серебристо-белый.

В состав «белого золота» 750-й пробы могут входить 75% золота, 7% серебра, 14% палладия и 4% никеля.

Основные сплавы палладия с серебром, применяемые в ювелирном деле имеют пробу 500 и 850 (они наиболее технологичны и привлекательны). Помимо стандартных сплавов палладия в ювелирном производстве иногда используются декоративные соединения палладия с индием, образующие широкую цветовую гамму – от золотистого до сиреневого. Но изделия из них – пока большая редкость.

В России применяют следующие сплавы палладия: ПД-250 (24.5% палладия и 72.1% серебра), ПД-190 (18.5% палладия и 78% серебра), ПД-150 (14.5% палладия и 84.1% серебра) и ПД-140 (13.5% палладия и 53.9% серебра).

В мире добывается не более 300 тонн палладия, примерно 140 тонн добывает Россия, 86 тонн США и Канада, остальные страны – 9 тонн. Стоимость палладия – около 5 долларов за грамм.

Осмий очень твердый металл, поэтому, при создании сплавов с наивысшей износостойкостью, в их состав вводят осмий.

Кончики перьев дорогих авторучек (в частности знаменитый «Parker») изготовляют из сплава осмия и иридия.

Из сплавов осмия и иридия изготовляют режущие кромки хирургических инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.

Осмистый иридий и иридистый осмий – хорошо известные минералы (соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором –осмий. Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, но чаще входят в состав самородной платины.

Одно достоинство осмия – тугоплавкость, температура его плавления около 30000С.

На нужды химии расходуется почти половина мировой добычи осмия. Но следует помнить, что безобидные на вид бледно-желтые кристаллы четырехокиси осмия – сильный яд, раздражающий кожу и слизистые оболочки, вредно действующий на глаза. Кроме сильного и неприятного запаха, это соединение очень токсично токсично! Предельно допустимая концентрация (ПДК) четырёхокиси осмия в воздухе составляет 0.002 мг/м3, что всего в пять раз меньше ПДК для синильной кислоты (0.01 мг/м3).

Цена осмия весьма высока – от $15,000 до $40,000 за грамм. Всего в мире ежегодно добывают примерно 600 килограмм осмия.

Рутений применяют для повышения коррозионной стойкости титана, как катализатор, в качестве жаропрочных материалов в аэрокосмической технике. В ювелирном деле рутений применяется для изготовления так называемого «черного золота»: для придания золотым сплавам чёрного цвета, поверхность ювелирного изделия покрывают слоем чёрного родия или рутения гальваническим методом, причём цвет покрытий варьирует в диапазоне от серого и тёмно-серого до чёрного.

Платиноиды встречаются и в живых организмах, и представлены главным образом рутением, а также изотопами рутения и родия.

Морские и пресноводные водоросли интенсивно концентрируют радиоактивные изотопы рутения (в сотни и тысячи раз, по сравнению со средой), ракообразные – в десятки и сотни, моллюски – до десятков, рыбы и головастики лягушек – от единиц до сотен.

Радиоактивный изотоп рутения-106 интенсивно мигрирует в почве, накопляясь в корнях наземных растений.

У наземных млекопитающих радиоактивные изотопы рутения всасываются через пищеварительный тракт, проникают в легкие, отлагаются в почках, печени, мышцах, скелете, и являются составной частью радиоактивного загрязнения биосферы.

А.А. Каздым Кандидат геолого-минералогических наук Академик Международной Академии наук, Член Российского минералогического общества и кристаллографического общества России

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.

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.

Иридий

В начале 19 века химики были заинтересованы неочищенной платиной и всеми возможными элементами содержащиеся в ней. Тогда Дескотиль, Фуркруа и Вокелен стали изучать сырой металл, сплавив его с едким кали, получив частично растворимые в воде соединения неизвестных металлов. Теннант пошел этим же способом, и смог выделит два новых металла: иридий и осмий.

Иридий получил свое название с греческого: радуга, благодаря тому, что соединения данного металла были окрашены в разные цвета. Осмий же в связи с растворение щелочного сплава осмиридия в кислоте (или в воде) сопровождался сильным запахом. С греческого языка, получив название: запах.

Иридий очень редкий металл платиновой группы, который добыть практически невозможно. Добыча его сопровождается попутчиками: платиной или осмием и рутением или палладием. Он встречается в медных и никелевых рудах. Место добывания иридия: Канада (Британская Колумбия), США (Калифорния), ЮАР (Трансвааль), Остров Тасмания, Новая Гвинея, остров Калимантан.

• красивый металл бело-серебристого оттенка;
• твердый и долговечный металл;
• высокая плотность и прочность;
• воздействия осуществляются за счет нагревания металла;
• укрепляет любой состав, делая его износоустойчивым;
• химическая стойкость;
• стойкий к коррозиям;
• стойкость к окислению и всяческому разрушению, даже под воздействием температуры.

• химическая промышленность;
• ювелирное дело;
• вместе с иными металлами является компонентом для автомобильных свечей;
• сплавы с иридием используют в медицине, для производства инструментов;
• в научной деятельности, металл не очень востребован.

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.