Металлы платиновой группы

Металлы платиновой группы (МПГ, платиноиды) — это группа из шести благородных металлов, обладающих схожими физико-химическими свойствами и встречающихся в природе в одних и тех же месторождениях. В состав группы входят платина (Pt), палладий (Pd), родий (Rh), иридий (Ir), рутений (Ru) и осмий (Os). Все они относятся к переходным металлам VIIIB группы (по устаревшей классификации — к VIII группе побочной подгруппы) Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Металлы платиновой группы отличаются высокой химической стойкостью, тугоплавкостью, каталитической активностью и уникальными электрофизическими свойствами, что определяет их широкое применение в промышленности, ювелирном деле и науке.

История открытия и изучения

История знакомства человечества с металлами платиновой группы началась с платины. Древние цивилизации Южной Америки (инки, чибча) использовали самородную платину для изготовления украшений и ритуальных предметов. В Европе первые сведения о платине появились в XVI веке, однако долгое время её считали бесполезным «белым золотом» или «серебришком» из-за тугоплавкости и сложности обработки. Первое научное описание платины как нового металла сделал испанский учёный Антонио де Ульоа в 1748 году.

В начале XIX века были открыты остальные металлы группы. В 1803 году английский химик Уильям Хайд Волластон выделил палладий и родий из платиновой руды. В 1804 году его соотечественник Смитсон Теннант, исследуя остаток после растворения платины, открыл иридий и осмий. Рутений был открыт последним — в 1844 году профессором Казанского университета Карлом Клаусом, который изучал отходы уральского платинового производства. Клаус также внёс значительный вклад в систематизацию свойств всех шести металлов и предложил термин «металлы платиновой группы».

В России промышленная добыча платины началась в 1820-х годах на Урале. В XIX веке Урал был крупнейшим мировым поставщиком платины, и именно здесь Клаус провёл свои исследования. В советский период были созданы мощные научные школы по химии и металлургии платиноидов, в первую очередь в Институте общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН.

Физические и химические свойства

Металлы платиновой группы обладают рядом общих характеристик, хотя каждый из них имеет индивидуальные особенности.

Физические свойства

Все МПГ — серебристо-белые (кроме осмия, имеющего голубовато-серый оттенок) тяжёлые металлы с высокой плотностью. Осмий и иридий — самые плотные из всех известных металлов (22,59 и 22,56 г/см³ соответственно). Платина и палладий — относительно ковкие и пластичные, тогда как осмий и рутений — твёрдые и хрупкие. Температуры плавления всех МПГ высоки: от 1555 °C у палладия до 3045 °C у осмия.

Химические свойства

Главное химическое свойство металлов платиновой группы — высокая коррозионная стойкость. Они не окисляются на воздухе при обычных температурах, устойчивы к действию большинства кислот и щелочей. Платина, палладий и родий растворяются в «царской водке» (смеси азотной и соляной кислот), а также в горячей серной кислоте. Иридий, рутений и осмий — наиболее инертные: иридий практически нерастворим даже в «царской водке». Все МПГ являются эффективными катализаторами многих химических реакций, особенно реакций гидрирования, дегидрирования и окисления.

Классификация и виды

Металлы платиновой группы традиционно делят на две подгруппы по плотности и температуре плавления:

• Лёгкие платиноиды (рутений, родий, палладий) — имеют плотность от 12,4 до 12,7 г/см³ и температуру плавления от 1555 °C до 2334 °C.
• Тяжёлые платиноиды (осмий, иридий, платина) — плотность от 21,4 до 22,6 г/см³, температура плавления от 1769 °C до 3045 °C.

В промышленности и торговле чаще всего выделяют четыре основных металла: платину, палладий, родий и иридий. Рутений и осмий используются реже, в основном в специальных сплавах и химических реактивах.

Месторождения и добыча

Основные запасы металлов платиновой группы сосредоточены в нескольких регионах мира. Крупнейшие месторождения расположены в Южно-Африканской Республике (Бушвелдский комплекс), России (Норильский промышленный район), Зимбабве (Великая Дайка) и Канаде (Садбери). В России добыча МПГ ведётся преимущественно на Таймыре (Норильск) и в Мурманской области (Кольский полуостров).

Добыча включает открытый и подземный способы разработки руд. Руда, содержащая МПГ, проходит многостадийное обогащение (флотацию, магнитную сепарацию) с получением коллективного концентрата. Затем концентрат подвергается пирометаллургической переработке (плавке, конвертированию) для отделения меди, никеля и кобальта. На завершающем этапе из черновых металлов извлекают платиноиды методами аффинажа — сложной химической очистки, включающей растворение, осаждение, экстракцию и ионный обмен.

Применение

Металлы платиновой группы находят применение в самых разных отраслях промышленности.

Автомобильная промышленность

Это крупнейший потребитель платиноидов. Платина, палладий и родий используются в каталитических нейтрализаторах выхлопных газов автомобилей. Они катализируют окисление угарного газа и углеводородов до углекислого газа и воды, а также восстановление оксидов азота до молекулярного азота. В последние десятилетия доля палладия в нейтрализаторах бензиновых двигателей значительно выросла, что связано с его более низкой ценой по сравнению с платиной.

Химическая промышленность

Платина и палладий — важнейшие катализаторы в процессах нефтепереработки (риформинг, изомеризация), производстве азотной кислоты (окисление аммиака на платино-родиевых сетках), синтезе аммиака, а также в тонком органическом синтезе (гидрирование жиров, производство лекарств). Родий используется в катализаторах для гидроформилирования олефинов.

Электроника и электротехника

Благодаря высокой коррозионной стойкости и стабильности электрических контактов, платина, палладий и их сплавы применяются в производстве разъёмов, реле, термопар, электродов для свечей зажигания и датчиков. Иридий и рутений используются в толстоплёночных резисторах и контактах интегральных схем.

Ювелирное дело

Платина и палладий — популярные материалы для изготовления ювелирных изделий. Платиновые сплавы (обычно 950-й пробы) ценятся за благородный белый блеск, прочность и гипоаллергенность. Палладий также используется в ювелирном деле, часто как более доступная альтернатива платине.

Медицина

Платина и её соединения применяются в онкологии: цисплатин, карбоплатин и оксалиплатин — эффективные противоопухолевые препараты. Сплав платины с иридием используется для изготовления электрокардиостимуляторов, стентов и других имплантатов благодаря биосовместимости и коррозионной стойкости.

Стекольная промышленность

Платина и её сплавы с родием используются для изготовления тиглей, фильер и другого оборудования для варки и формования специальных стёкол (оптического, лазерного, для стекловолокна), так как они не взаимодействуют с расплавленным стеклом при высоких температурах.

Производство лабораторного оборудования

Из платины, иридия и их сплавов изготавливают лабораторную посуду (тигли, чашки, электроды), устойчивую к агрессивным химическим средам и высоким температурам.

Экономическое значение и рынок

Металлы платиновой группы относятся к категории стратегического сырья. Цены на них подвержены значительным колебаниям в зависимости от состояния мировой экономики, спроса со стороны автопрома и ювелирной отрасли, а также геополитических факторов. Крупнейшими производителями МПГ являются ЮАР, Россия и Зимбабве. Основные потребители — Китай, страны Европейского союза, США и Япония.

В России основным производителем МПГ является компания «Норильский никель» (ПАО «ГМК „Норильский никель“»), которая добывает значительную долю мирового палладия и платины. Рынок МПГ характеризуется высокой концентрацией: несколько компаний контролируют большую часть поставок.

Интересные факты

• Осмий — самый тяжёлый из всех стабильных элементов. Его плотность настолько велика, что 1 литр осмия весит более 22,5 кг.
• Иридий — самый коррозионностойкий металл. Изделия из иридия не разрушаются даже в «царской водке» при комнатной температуре.
• Родий — один из самых дорогих металлов в мире. Его цена может в несколько раз превышать цену золота. Он используется для зеркального покрытия прожекторов и ювелирных изделий.
• Палладий способен растворять водород в больших объёмах: один объём палладия может поглотить до 900 объёмов водорода. Это свойство используется в водородной энергетике и для очистки водорода.
• В 1828 году в России была начата чеканка платиновых монет (3, 6 и 12 рублей), которая продолжалась до 1845 года. Эти монеты были изъяты из обращения из-за падения цены на платину и массовых подделок.

Источники

1. Клаус К. К. Химия металлов платиновой группы. — Казань, 1844.
2. Ливингстон Дж. Химия рутения, родия, палладия, осмия, иридия, платины. — М.: Мир, 1978.
3. Металлургия благородных металлов / Под ред. Л. В. Чугаева. — М.: Металлургия, 1987.
4. Энциклопедия неорганических материалов. Т. 2. — Киев: Главная редакция УСЭ, 1977.
5. Платина и её сплавы / Под ред. Е. М. Савицкого. — М.: Наука, 1984.
6. Минерально-сырьевая база металлов платиновой группы России / Под ред. Б. И. Беневольского. — М.: ВИМС, 2002.