โลหะกลุ่มแพลตตินัม: ภาพรวม รายการ คุณสมบัติและการใช้งาน

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 14:03

โลหะกลุ่มแพลตตินั่มเป็นองค์ประกอบทางเคมีอันล้ำค่าหกชนิดที่อยู่เคียงข้างกันในตารางธาตุ ทั้งหมดเป็นโลหะทรานซิชันกลุ่ม 8-10 ช่วง 5-6 ช่วง

รายการโลหะกลุ่มแพลตตินัม

กลุ่มประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมี 6 อย่างต่อไปนี้ จัดเรียงตามน้ำหนักอะตอมจากน้อยไปมาก:

• Ru – รูทีเนียม
• Rh – โรเดียม
• Pd – แพลเลเดียม
• Os – ออสเมียม
• Ir – อิริเดียม
• Pt – ทองคำขาว

โลหะกลุ่มแพลตตินัมมีโทนสีขาวเงิน ยกเว้นออสเมียมซึ่งมีสีขาวอมฟ้า พฤติกรรมทางเคมีของพวกมันขัดแย้งกันตรงที่พวกมันมีความทนทานสูงต่อรีเอเจนต์ส่วนใหญ่ แต่ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เร่งหรือควบคุมอัตราการออกซิเดชัน รีดักชัน และปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันอย่างง่ายดาย

รูทีเนียมและออสเมียมตกผลึกเป็นระบบปิดหกเหลี่ยม ขณะที่ตัวอื่นๆ มีโครงสร้างลูกบาศก์ที่มีใบหน้าอยู่ตรงกลาง สิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในความแข็งที่มากขึ้นของรูทีเนียมและออสเมียม

ประวัติการค้นพบ

แม้ว่าสิ่งประดิษฐ์ทองคำที่มีแพลตตินั่มจะมีอายุย้อนไปถึง 700 ปีก่อนคริสตกาล e. การปรากฏตัวของโลหะนี้เป็นอุบัติเหตุมากกว่ารูปแบบ นิกายเยซูอิตในศตวรรษที่ 16 กล่าวถึงก้อนกรวดสีเทาหนาแน่นที่เกี่ยวข้องกับการสะสมทองลุ่มน้ำ หินเหล่านี้ไม่สามารถละลายได้ แต่พวกมันก่อตัวเป็นโลหะผสมด้วยทองคำ ในขณะที่แท่งโลหะนั้นเปราะ และไม่สามารถทำความสะอาดได้อีกต่อไป ก้อนกรวดกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ platina del Pinto ซึ่งเป็นเม็ดเงินจากแม่น้ำปินโตที่ไหลลงสู่แม่น้ำซานฮวนในโคลอมเบีย

แพลตตินั่มที่หลอมได้ ซึ่งสามารถรับได้หลังจากทำให้โลหะบริสุทธิ์แล้วเท่านั้น ถูกแยกออกโดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Chabano ในปี 1789 จากนั้นจึงนำถ้วยพระราชทานมาถวายพระสันตปาปาปิอุสที่ 6 การค้นพบแพลเลเดียมในปี 1802 ได้รับการรายงานโดยนักเคมีชาวอังกฤษ วิลเลียม วอลลาสตัน ผู้ตั้งชื่อเคมีนี้ว่า องค์ประกอบของกลุ่มโลหะแพลตตินั่มเพื่อเป็นเกียรติแก่ดาวเคราะห์น้อย ในเวลาต่อมา Wollaston อ้างว่าได้ค้นพบสารอื่นที่มีอยู่ในแร่ทองคำขาว เขาเรียกมันว่าโรเดียมเพราะสีชมพูของเกลือของโลหะ การค้นพบอิริเดียม (ตั้งชื่อตามเทพธิดาสายรุ้ง Iris เนื่องจากสีของเกลือที่แตกต่างกัน) และออสเมียม (จากคำภาษากรีกสำหรับ "กลิ่น" เนื่องจากกลิ่นคลอรีนของออกไซด์ระเหยของมัน) ถูกสร้างขึ้นโดยนักเคมีชาวอังกฤษ Smithson Tennant ใน 1803. นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix และ Nicolas-Louis Vauquelin แยกโลหะทั้งสองออกพร้อมกัน Ruthenium ซึ่งเป็นองค์ประกอบสุดท้ายที่แยกได้และระบุได้ ได้รับชื่อจากชื่อละตินสำหรับรัสเซียจากนักเคมีชาวรัสเซีย Karl Karlovich Klaus ในปี 1844

เลิกชอบจากการแยกตัวได้ง่ายในสภาวะที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ด้วยสารกลั่นไฟอย่างง่าย เช่น ทอง เงิน โลหะกลุ่มแพลตตินัม จำเป็นต้องมีการบำบัดน้ำและเคมีที่ซับซ้อน วิธีการเหล่านี้ไม่สามารถใช้ได้จนถึงปลายศตวรรษที่ 19 ดังนั้นการระบุและการแยกกลุ่มแพลตตินัมจึงตกอยู่ภายใต้เงินและทองคำเป็นเวลาหลายพันปี นอกจากนี้ จุดหลอมเหลวสูงของโลหะเหล่านี้ยังจำกัดการใช้งาน จนกระทั่งนักวิจัยในสหราชอาณาจักร ฝรั่งเศส เยอรมนี และรัสเซียได้พัฒนาวิธีการเปลี่ยนแพลตตินัมให้อยู่ในรูปแบบที่ใช้การได้ โลหะล้ำค่าของกลุ่มแพลตตินั่มเริ่มนำมาใช้ในเครื่องประดับตั้งแต่ พ.ศ. 2443 อย่างไร แม้ว่าแอปพลิเคชันนี้ยังคงมีความเกี่ยวข้องอยู่ในปัจจุบัน แพลเลเดียมกลายเป็นวัสดุติดต่อที่เป็นที่ต้องการอย่างมากในรีเลย์โทรศัพท์และระบบสื่อสารแบบมีสายอื่นๆ ให้อายุการใช้งานยาวนานและความน่าเชื่อถือสูง ในขณะที่แพลตตินัมเนื่องจากความต้านทานต่อการกัดเซาะประกายไฟ ถูกนำมาใช้ในหัวเทียนเครื่องบินรบในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2

หลังสงคราม การขยายเทคนิคการแปลงโมเลกุลในการกลั่นปิโตรเลียมทำให้เกิดความต้องการอย่างมากสำหรับคุณสมบัติเร่งปฏิกิริยาของโลหะกลุ่มแพลตตินัม ภายในปี 1970 การบริโภคเพิ่มขึ้นมากยิ่งขึ้นเมื่อมาตรฐานการปล่อยรถยนต์ในสหรัฐอเมริกาและประเทศอื่นๆ นำไปสู่การใช้สารเคมีเหล่านี้ในการแปลงก๊าซไอเสียแบบเร่งปฏิกิริยา

แร่

ไม่รวมแพลตตินั่มพาลาเดียมขนาดเล็กและออสมิกอิริเดียม (โลหะผสมของอิริเดียมและออสเมียม) แทบไม่มีแร่ที่ส่วนประกอบหลักจะเป็นองค์ประกอบทางเคมี - โลหะกลุ่มแพลตตินัม แร่ธาตุมักพบในแร่ซัลไฟด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง pentlandite (Ni, Fe)₉S₈ ที่พบมากที่สุดคือ laurite RuS_{2, irarsite, (Ir, Ru, Rh, Pt)AsS, osmiridium (Ir, Os), cooperite, (PtS) และ braggite (Pt, Pd) ส.}

โลหะกลุ่มแพลตตินั่มที่ใหญ่ที่สุดในโลกคืออาคาร Bushveld ในแอฟริกาใต้ วัตถุดิบสำรองจำนวนมากกระจุกตัวอยู่ในแหล่งฝากของ Sudbury ในแคนาดาและแหล่งฝาก Norilsk-Talnakhskoye ในไซบีเรีย ในสหรัฐอเมริกา แหล่งแร่กลุ่มแพลตตินัมที่ใหญ่ที่สุดตั้งอยู่ในเมืองสติลวอเตอร์ รัฐมอนแทนา แต่ที่นี่มีขนาดเล็กกว่าในแอฟริกาใต้และรัสเซียมาก ผู้ผลิตแพลตตินัมรายใหญ่ที่สุดของโลก ได้แก่ แอฟริกาใต้ รัสเซีย ซิมบับเว และแคนาดา

การสกัดและเสริมคุณค่า

เงินฝากหลักของแอฟริกาใต้และแคนาดาดำเนินการโดยวิธีการทำเหมือง โลหะกลุ่มแพลตตินั่มแทบทั้งหมดจะถูกกู้คืนจากแร่ทองแดงหรือนิกเกิลซัลไฟด์โดยใช้การแยกลอย การหลอมเข้มข้นทำให้เกิดส่วนผสมที่ชะล้างออกจากทองแดงและนิกเกิลซัลไฟด์ในหม้อนึ่งความดัน กากตะกอนที่เป็นของแข็งประกอบด้วยโลหะกลุ่มแพลตตินั่ม 15 ถึง 20%

บางครั้งใช้การแยกแรงโน้มถ่วงก่อนที่จะลอย ผลลัพธ์ที่ได้คือสารเข้มข้นที่ประกอบด้วยโลหะแพลตตินั่มสูงถึง 50% ทำให้ไม่ต้องหลอมละลายอีกต่อไป

คุณสมบัติทางกล

โลหะในกลุ่มแพลตตินั่มมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านคุณสมบัติทางกล แพลตตินัมและแพลเลเดียมค่อนข้างนิ่มและยืดหยุ่นได้มาก โลหะและโลหะผสมเหล่านี้สามารถใช้ได้ทั้งแบบร้อนและเย็น โรเดียมเริ่มทำงานครั้งแรกโดยใช้ความร้อนและต่อมาสามารถทำงานเย็นได้ด้วยการอบอ่อนบ่อยครั้ง อิริเดียมและรูทีเนียมต้องได้รับความร้อน ไม่สามารถทำงานเย็นได้

ออสเมียมเป็นกลุ่มที่แข็งที่สุดและมีจุดหลอมเหลวสูงสุด แต่แนวโน้มที่จะออกซิไดซ์ก็มีข้อจำกัดของตัวเอง อิริเดียมมีความทนทานต่อการกัดกร่อนมากที่สุดของโลหะแพลตตินั่ม และโรเดียมก็ให้รางวัลสำหรับการคงอุณหภูมิที่สูง

งานโครงสร้าง

เพราะว่าแพลตตินั่มอบอ่อนสะอาดมาก มันจึงอ่อนไหวต่อรอยขีดข่วนและการเสื่อมสภาพ เพื่อเพิ่มความแข็ง มันถูกผสมกับองค์ประกอบอื่น ๆ มากมาย. เครื่องประดับแพลตตินัมเป็นที่นิยมอย่างมากในญี่ปุ่นที่เรียกว่า "ฮักกิน" และ "ทองคำขาว" โลหะผสมของเครื่องประดับประกอบด้วย 90% Pt และ 10% Pd ซึ่งง่ายต่อการกลึงและบัดกรี การเติมรูทีเนียมจะเพิ่มความแข็งของโลหะผสมในขณะที่ยังคงต้านทานการเกิดออกซิเดชัน โลหะผสมของแพลตตินั่ม แพลเลเดียม และคอปเปอร์ ใช้ในการตีขึ้นรูปเนื่องจากแข็งกว่าแพลตตินั่มแพลเลเดียมและมีราคาไม่แพง

ถ้วยใส่ตัวอย่างที่ใช้สำหรับการผลิตผลึกเดี่ยวในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนและความเสถียรที่อุณหภูมิสูง สำหรับการใช้งานนี้ แพลตตินั่ม แพลตตินั่มโรเดียมและอิริเดียม. โลหะผสมแพลตตินัม-โรเดียมใช้ในการผลิตเทอร์โมคัปเปิล ซึ่งออกแบบมาเพื่อวัดอุณหภูมิที่สูงขึ้นถึง 1800 °C Palladium ใช้ทั้งในรูปแบบบริสุทธิ์และแบบผสมในอุปกรณ์ไฟฟ้า (50% ของการบริโภค) ในโลหะผสมทางทันตกรรม (30%) โรเดียม รูทีเนียม และออสเมียมมักไม่ค่อยใช้ในรูปแบบบริสุทธิ์ - พวกมันทำหน้าที่เป็นสารเติมแต่งสำหรับโลหะผสมสำหรับโลหะกลุ่มแพลตตินั่มอื่นๆ

ตัวเร่งปฏิกิริยา

ประมาณ 42% ของแพลตตินั่มทั้งหมดที่ผลิตในตะวันตกถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ในจำนวนนี้ 90% ถูกใช้ในระบบไอเสียรถยนต์ โดยที่เม็ดวัสดุทนไฟที่เคลือบด้วยแพลตตินัม (รวมถึงแพลเลเดียมและโรเดียม) ช่วยเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนที่ยังไม่เผาไหม้ คาร์บอนมอนอกไซด์ และไนโตรเจนออกไซด์ให้เป็นน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และไนโตรเจน

โลหะผสมของแพลตตินั่มและโรเดียม 10% ในรูปของตาข่ายโลหะร้อนแดงช่วยเร่งปฏิกิริยาระหว่างแอมโมเนียกับอากาศเพื่อผลิตไนโตรเจนออกไซด์และกรดไนตริก เมื่อเลี้ยงร่วมกับส่วนผสมของแอมโมเนีย จะได้กรดมีเทนไฮโดรไซยานิก ในการกลั่นปิโตรเลียม แพลตตินั่มบนพื้นผิวของเม็ดอลูมินาในเครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยาการเปลี่ยนโมเลกุลของน้ำมันสายยาวเป็นไอโซพาราฟินแบบแยกแขนง ซึ่งเป็นที่ต้องการในน้ำมันเบนซินออกเทนสูง

ชุบด้วยไฟฟ้า

โลหะกลุ่มแพลตตินั่มทั้งหมดสามารถชุบด้วยไฟฟ้าได้ เนื่องจากความแข็งและความสว่างของการเคลือบที่เกิดขึ้น โรเดียมจึงเป็นที่นิยมมากที่สุด แม้ว่ามันค่าใช้จ่ายสูงกว่าแพลตตินั่มความหนาแน่นต่ำกว่าช่วยให้สามารถใช้วัสดุที่มีความหนาน้อยกว่าที่มีความหนาใกล้เคียงกัน

แพลเลเดียมเป็นโลหะกลุ่มแพลตตินั่มที่ใช้ง่ายที่สุดในการเคลือบ ด้วยเหตุนี้ความแข็งแรงของวัสดุจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก รูทีเนียมพบว่ามีการใช้งานในเครื่องมือตัดเฉือนแรงเสียดทานแรงดันต่ำ

สารประกอบเคมี

สารประกอบเชิงซ้อนของโลหะกลุ่มแพลตตินัมอินทรีย์ เช่น คอมเพล็กซ์อัลคิลแพลตตินัม ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการทำพอลิเมอไรเซชันของโอเลฟินส์ การผลิตโพรพิลีนและโพลิเอทิลีน และการออกซิเดชันของเอทิลีนเป็นอะซีตัลดีไฮด์

เกลือแพลตตินั่มถูกใช้ในเคมีบำบัดมะเร็งมากขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น เป็นส่วนหนึ่งของยาเช่น Carboplatin และ Cisplatin อิเล็กโทรดเคลือบรูทีเนียมออกไซด์ใช้ในการผลิตคลอรีนและโซเดียมคลอเรต ใช้โรเดียมซัลเฟตและฟอสเฟตในอ่างชุบโรเดียม