Kim loại nhóm bạch kim: tổng quan, danh sách, tính chất và ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 14:05

Kim loại nhóm bạch kim là sáu nguyên tố hóa học quý hiếm nằm cạnh nhau trong bảng tuần hoàn. Tất cả chúng đều là kim loại chuyển tiếp của 8–10 nhóm từ 5–6 tiết.

Danh sách kim loại nhóm bạch kim

Nhóm gồm sáu nguyên tố hóa học sau, được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về khối lượng nguyên tử:

• Ru - ruthenium.
• Rh - rhodium.
• Pd - palađi.
• Os - osmium.
• Ir - iridium.
• Pt - bạch kim.

Kim loại nhóm bạch kim có màu trắng bạc, ngoại trừ osmi có màu trắng xanh. Hành vi hóa học của chúng là nghịch lý ở chỗ chúng có khả năng chống lại hầu hết các thuốc thử, nhưng lại được sử dụng làm chất xúc tác, dễ dàng tăng tốc hoặc kiểm soát tốc độ của các phản ứng oxy hóa, khử và hydro hóa.

Ruthenium và osmi kết tinh thành một hệ thống đóng gói hình lục giác, trong khi những hệ khác có cấu trúc lập phương tâm mặt. Điều này thể hiện ở độ cứng lớn hơn của ruthenium và osmi.

Lịch sử khám phá

Mặc dù các đồ tạo tác bằng vàng mang bạch kim có niên đại từ năm 700 trước Công nguyên. e., sự hiện diện của kim loại này là một tai nạn hơn là một mẫu. Các tu sĩ Dòng Tên vào thế kỷ 16 đã đề cập đến những viên đá cuội xám dày đặc liên quan đến các mỏ vàng phù sa. Những viên đá này không thể nấu chảy, nhưng chúng tạo thành một hợp kim với vàng, trong khi các thỏi trở nên giòn và không thể làm sạch được nữa. Những viên sỏi được gọi là platina del Pinto, những hạt vật chất màu bạc từ sông Pinto, chảy vào sông San Juan ở Colombia.

Bạch kim dẻo, chỉ có thể thu được sau khi tinh chế hoàn toàn kim loại, được nhà vật lý người Pháp Chabano phân lập vào năm 1789. Từ nó, người ta đã làm một chiếc cốc dâng lên Giáo hoàng Pius VI. Nhà hóa học người Anh William Wollaston, người đã đặt tên cho nó là phát hiện ra palađi vào năm 1802. nguyên tố của nhóm kim loại bạch kim để vinh danh tiểu hành tinh. Wollaston sau đó tuyên bố đã phát hiện ra một chất khác có trong quặng bạch kim. Ông gọi nó là rhodi vì màu hồng của muối kim loại. Những khám phá về iridi (được đặt theo tên của nữ thần cầu vồng Iris vì màu sắc loang lổ của muối của nó) và osmi (từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là "mùi" vì mùi clo của oxit dễ bay hơi của nó) được thực hiện bởi nhà hóa học người Anh Smithson Tennant tại 1803. Các nhà khoa học Pháp Hippolyte-Victor Collet-Descoti, Antoine-Francois Fourcroix và Nicolas-Louis Vauquelin đã cô lập hai kim loại này cùng một lúc. Ruthenium, nguyên tố được phân lập và xác định cuối cùng, được nhà hóa học người Nga Karl Karlovich Klaus đặt tên theo tên Latinh cho nước Nga vào năm 1844.

Không giống nhưtừ đó dễ dàng bị cô lập ở trạng thái tương đối tinh khiết bằng các chất luyện lửa đơn giản như vàng, bạc, kim loại nhóm bạch kim đòi hỏi quá trình xử lý nước-hóa học phức tạp. Những phương pháp này không có sẵn cho đến cuối thế kỷ 19, do đó, việc xác định và phân lập nhóm bạch kim đã thua bạc và vàng hàng nghìn năm. Ngoài ra, nhiệt độ nóng chảy cao của các kim loại này đã hạn chế việc sử dụng chúng cho đến khi các nhà nghiên cứu ở Anh, Pháp, Đức và Nga phát triển các phương pháp chuyển bạch kim thành dạng có thể sử dụng được. Làm thế nào các kim loại quý của nhóm bạch kim bắt đầu được sử dụng trong đồ trang sức từ năm 1900. Mặc dù ứng dụng này vẫn còn phù hợp cho đến ngày nay, nhưng ứng dụng công nghiệp đã vượt xa nó. Palladium trở thành vật liệu tiếp xúc được săn lùng nhiều trong rơ le điện thoại và các hệ thống liên lạc có dây khác, mang lại tuổi thọ cao và độ tin cậy cao, trong khi bạch kim, do khả năng chống xói mòn tia lửa, đã được sử dụng trong các bugi đánh lửa của máy bay trong Thế chiến thứ hai.

Sau chiến tranh, sự mở rộng của các kỹ thuật chuyển đổi phân tử trong lọc dầu đã tạo ra nhu cầu rất lớn về các đặc tính xúc tác của các kim loại nhóm bạch kim. Đến những năm 1970, lượng tiêu thụ còn tăng nhiều hơn khi các tiêu chuẩn khí thải ô tô ở Mỹ và các nước khác dẫn đến việc sử dụng các hóa chất này trong quá trình chuyển hóa khí thải bằng xúc tác.

Quặng

Không bao gồm tiền gửi sa khoáng nhỏ của bạch kim, palladiumvà osmic iridi (hợp kim của iridi và osmi), thực tế không có quặng nào mà thành phần chính là một nguyên tố hóa học - một kim loại nhóm bạch kim. Các khoáng chất thường được tìm thấy trong quặng sunfua, cụ thể là pentlandit (Ni, Fe)₉S₈. Phổ biến nhất là laurite RuS_{2, irarsite, (Ir, Ru, Rh, Pt) AsS, osmiridium (Ir, Os), collrite, (PtS) và braggite (Pt, Pd) S.}

Kho chứa kim loại nhóm bạch kim lớn nhất thế giới là khu phức hợp Bushveld ở Nam Phi. Trữ lượng lớn nguyên liệu thô tập trung ở mỏ Sudbury ở Canada và mỏ Norilsk-Talnakhskoye ở Siberia. Ở Hoa Kỳ, các mỏ khoáng sản nhóm bạch kim lớn nhất nằm ở Stillwater, Montana, nhưng ở đây chúng nhỏ hơn nhiều so với ở Nam Phi và Nga. Các nhà sản xuất bạch kim lớn nhất thế giới là Nam Phi, Nga, Zimbabwe và Canada.

Khai thác và làm giàu

Các khoản tiền gửi chính của Nam Phi và Canada được vận hành theo phương pháp mỏ. Hầu như tất cả các kim loại nhóm bạch kim được thu hồi từ các khoáng chất đồng hoặc niken sulfua bằng cách sử dụng phương pháp tách tuyển nổi. Nấu chảy chất cô đặc tạo ra một hỗn hợp được rửa sạch khỏi sunfua đồng và niken trong nồi hấp. Cặn rỉ rắn chứa 15 đến 20% kim loại nhóm bạch kim.

Đôi khi tách trọng lực được sử dụng trước khi tuyển nổi. Kết quả là sản phẩm cô đặc chứa tới 50% kim loại bạch kim, loại bỏ nhu cầu nấu chảy.

Cơ tính

Các kim loại thuộc nhóm bạch kim khác nhau đáng kể về tính chất cơ học. Bạch kim và palladium khá mềm và rất dễ uốn. Các kim loại này và hợp kim của chúng có thể gia công cả nóng và lạnh. Rhodium đầu tiên được làm nóng và sau đó có thể được làm lạnh với quá trình ủ khá thường xuyên. Iridi và ruthenium phải được làm nóng, chúng không thể làm lạnh được.

Osmium là chất cứng nhất trong nhóm và có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, nhưng xu hướng oxy hóa của nó có những hạn chế riêng. Iridi là chất chống ăn mòn cao nhất trong số các kim loại bạch kim, và rhodium được đánh giá cao nhờ khả năng giữ nhiệt độ cao.

Ứng dụng kết cấu

Vì bạch kim được ủ sạch rất mềm, dễ bị trầy xước và hư hỏng. Để tăng độ cứng, nó được hợp kim với nhiều nguyên tố khác. Trang sức bạch kim rất phổ biến ở Nhật Bản, nơi nó được gọi là "hakkin" và "vàng trắng". Hợp kim trang sức chứa 90% Pt và 10% Pd, rất dễ gia công và hàn. Việc bổ sung ruthenium làm tăng độ cứng của hợp kim trong khi vẫn duy trì khả năng chống oxy hóa. Các hợp kim của bạch kim, palladium và đồng được sử dụng để rèn vì chúng cứng hơn palladium bạch kim và rẻ hơn.

Nồi nấu kim loại được sử dụng để sản xuất đơn tinh thể trong ngành công nghiệp bán dẫn yêu cầu khả năng chống ăn mòn và ổn định ở nhiệt độ cao. Đối với ứng dụng này, platin, platinum-rhodium vàiridi. Hợp kim bạch kim-rhodi được sử dụng trong sản xuất cặp nhiệt điện, được thiết kế để đo nhiệt độ cao lên đến 1800 ° C. Paladi được sử dụng cả ở dạng nguyên chất và hỗn hợp trong các thiết bị điện (50% lượng tiêu thụ), trong hợp kim nha khoa (30%). Rhodium, ruthenium và osmium hiếm khi được sử dụng ở dạng nguyên chất - chúng đóng vai trò như một chất phụ gia tạo hợp kim cho các kim loại nhóm bạch kim khác.

Chất xúc tác

Khoảng 42% tổng số bạch kim được sản xuất ở phương Tây được sử dụng làm chất xúc tác. Trong số này, 90% được sử dụng trong hệ thống ống xả ô tô, nơi các viên nén hoặc tổ ong được phủ platin (cũng như palađi và rhodium) giúp chuyển hóa các hydrocacbon, carbon monoxide và nitơ oxit chưa cháy thành nước, carbon dioxide và nitơ.

Một hợp kim của bạch kim và 10% rhodi ở dạng lưới kim loại nóng đỏ xúc tác phản ứng giữa amoniac và không khí để tạo ra oxit nitơ và axit nitric. Khi cho hỗn hợp amoniac tác dụng với nhau có thể thu được axit hiđroxyan metan. Trong tinh chế dầu mỏ, bạch kim trên bề mặt của các viên nhôm trong lò phản ứng xúc tác quá trình chuyển đổi các phân tử dầu chuỗi dài thành các isoparafin phân nhánh, điều mong muốn trong các hỗn hợp xăng có trị số octan cao.

Mạ điện

Tất cả các kim loại nhóm bạch kim đều có thể được mạ điện. Do độ cứng và độ sáng của lớp phủ tạo thành, rhodium được sử dụng phổ biến nhất. Mặc dù nóchi phí cao hơn bạch kim, mật độ thấp hơn cho phép sử dụng khối lượng vật liệu nhỏ hơn với độ dày tương đương.

Paladi là kim loại nhóm bạch kim dễ sử dụng nhất cho các ứng dụng sơn phủ. Do đó, độ bền của vật liệu được tăng lên đáng kể. Ruthenium đã được sử dụng trong các công cụ gia công ma sát áp suất thấp.

Hợp chất hóa học

Phức hợp kim loại nhóm bạch kim hữu cơ, chẳng hạn như phức alkylplatin, được sử dụng làm chất xúc tác trong quá trình trùng hợp olefin, sản xuất polypropylene và polyethylene, và quá trình oxy hóa ethylene thành acetaldehyde.

Muối bạch kim ngày càng được sử dụng nhiều trong hóa trị ung thư. Ví dụ, chúng là một phần của các loại thuốc như Carboplatin và Cisplatin. Điện cực tráng oxit Ruthenium được sử dụng trong sản xuất clo và natri clorat. Rhodium sulfate và phosphate được sử dụng trong bể mạ rhodium.