Платиновые металлы, платиноиды, химические элементы второй и третьей триад VIII группы периодической системы Менделеева. К ним принадлежат: рутений (Ruthenium) Ru, родий (Rhodium) Rh, палладий (Palladium) Pd (лёгкие П. м., плотность ~12 г/см3); осмий (Osmium) Os, иридий (Iridium) lr, платина (Platinum) Pt (тяжёлые П. м., плотность ~22 г/см3). Серебристо-белые тугоплавкие металлы; благодаря красивому внешнему виду и высокой химической стойкости П. м. наряду с Ag и Au называют благородными металлами.
Историческая справка. Имеются указания, что самородная платина в древности была известна в Египте, Эфиопии, Греции и Южной Америке. В 16 в. исп.(испанский) конкистадоры обнаружили в Южной Америке вместе с самородным золотом очень тяжёлый белый тусклый металл, который не удавалось расплавить. Испанцы назвали его платиной — уменьшительным от исп.(испанский) plata — серебро. В 1744 исп.(испанский) морские офицер Антонио де Ульоа привёз образцы Pt в Лондон. Они вызвали живой интерес учёных Европы. Самостоятельным металлом Pt, которую первоначально считали белым золотом, была признана в середине 18 в.
В 1803 английский учёный У. Х. Волластон обнаружил в самородной платине палладий, получивший это название от малой планеты Паллады (открытой в 1802), и родий, названный так по розовато-красному цвету его солей (от греч.(греческий) rhódon — роза). В 1804 английский химик Смитсон Теннант в остатке после растворения самородной Pt в царской водке открыл ещё 2 металла. Один из них получил название иридий вследствие разнообразия окраски его солей (от греч.(греческий) íris, род.(родился) падеж íridos — радуга), другой был назван осмием по резкому запаху его четырёхокиси (от греч.(греческий) osmá — запах). В 1844 К. К. Клаус при исследовании остатков от аффинажа (очистки) уральской самородной Pt в Петербургском монетном дворе открыл ещё один П. м. — рутений (от позднелат. Ruthenia — Россия).
С. А. Погодин.
Распространение в природе. П. м. принадлежат к наиболее редким элементам, их среднее содержание в земной коре (кларки) точно не установлено, ориентировочные значения приведены в таблице. Самые редкие в земной коре — Rh и lr (1×10-7% по массе), наиболее распространён Os (5×10-6%). Содержание П. м. повышено в ультраосновных и основных изверженных породах, происхождение которых связано с глубинными магматическими процессами. К этим породам приурочены месторождения П. м. Ещё выше среднее содержание П. м. в каменных метеоритах, которые считаются аналогами средней мантии Земли (кларки П. м. в каменных метеоритах составляют n×10-4 — n×10-5% по массе). Для земной коры характерно самородное состояние П. м., а у Rh, Pd, Os и Pt известны также немногочисленные соединения с серой, мышьяком и сурьмой. Установлено около 30 минералов П. м., больше всего их у Pd (13) и Pt (9). Все минералы образовались на больших глубинах при высоких температурах и давлениях (см. Платиновые руды, Платина самородная). Платина и другие П. м. встречаются в виде примеси во многих сульфидах и силикатах ультраосновных и основных пород. Геохимия П. м. в биосфере почти не изучена, их содержание в гидросфере и живом веществе не установлено. Некоторые осадочные марганцевые руды обогащены Pt (до 1×10-3%), в углях наблюдалась концентрация Pt и Pd (1×10-6%); повышенное содержание П. м. отмечалось в фосфоритах (вятских), в золе деревьев, растущих на месторождениях Pt.
А. И. Перельман.
Физические и химические свойства. Физические и механические свойства П. м. сопоставлены в таблице. В дополнение необходимо указать, что Ru и Os очень тверды и хрупки (возможно вследствие присутствия примесей). Rh и lr обладают меньшими твёрдостью и хрупкостью, а Pd и Pt ковки, поддаются прокатке, волочению, штамповке при комнатной температуре. Интересна способность некоторых П. м. (Ru, Pd, Pt) поглощать водород. Особенно это свойственно Pd, объём которого поглощает до 900 объёмов H2. При этом Pd сохраняет металлический вид, но растрескивается и становится хрупким. Все П. м. парамагнитны. Магнитная восприимчивость cs×10-6 электро-магнитных единиц при 18 °С равна 0,05 у Os; 0,50 у Ru; 5,4 у Pd; у Rh, lr и Pt она несколько более 1,0.
Согласно давно установившейся традиции, П. м. принято помещать в VIII группу периодической системы элементов. В соответствии с этим следовало ожидать, что все П. м. должны иметь высшую степень окисления +8. Однако это наблюдается только у Ru и Os, прочие же П. м. проявляют валентность не выше +6. Объясняется это тем, что у атомов Ru и Os остаются незаполненными соответственно внутренние подуровни 4f и 5f. Поэтому для атомов Ru и Os возможно возбуждение не только с подуровней 5s и 6s на подуровни 5p и 6p, но и с подуровней 4d и 5d на подуровни 4f и 5f. Вследствие этого в атомах Ru и Os появляется по 8 непарных электронов и валентность +8. Электронные конфигурации атомов Rh, lr, Pd, Pt такой возможности не допускают. Поэтому в некоторых вариантах таблицы Менделеева эти элементы (а также Со и Ni) выносят за пределы VIII группы. Все П. м. легко образуют комплексные соединения, в которых имеют различные степени окисления и различные координационные числа. Комплексные соединения П. м., как правило, окрашены и очень прочны.
Химические свойства П. м. имеют много общего. Все они в компактном виде (кроме Os) малоактивны. Однако в виде т. н. черни (мелкодисперсного порошка) П. м. легко адсорбируют S, галогены и др. неметаллы. (Чернь обычно получают восстановлением П. м. из водных растворов их соединений.) Компактные Ru, Rh, Os, lr, будучи сплавлены с Pt, Zn, Pb, Bi, переходят в раствор при действии царской водки, хотя она не действует на эти П. м., взятые отдельно.
Семейство П. м. можно разделить на 3 диады (двойки), образованные двумя стоящими один под другим лёгким и тяжёлым П. м., а именно: Ru, Os; Rh, lr; Pd, Pt.
При нагревании с O2 и сильными окислителями Ru и Os образуют легкоплавкие кристаллы — четырёхокиси (тетроксиды) — оранжевую RuO4 и желтоватую OsO4. Оба соединения летучи, пары их имеют неприятный запах и весьма ядовиты. При действии восстановителей превращаются в низшие окислы RuO2 и OsO2или в металлы. Со щелочами RuO4 образует рутенаты, например рутенат калия K2RuO по реакции:
RuO4 + 2KOH = K2RuO4 + 1/2O2 + H2O.
При действии хлора K2RuO4 превращается в перрутенат калия:
K2RuO4 + 1/2Cl2 = KRuO4 + KCI.
Четырёхокись OsO4 даёт с KOH комплексное соединение K2[OsO4(OH)2]. С фтором и др. галогенами Ru и Os легко реагируют при нагревании, образуя соединения типа RuF3, RuF4, RuF5, RuF6. Осмий даёт подобные же соединения, кроме OsF3; существование OsF8 не подтверждено. Весьма интересны комплексные соединения Ru с ксенономXe [RuF6] (канадский химик Н. Бартлетт, 1962), а также с молекулярным азотом — [(NO)(NH3)4 N2Ru (NH3)4 NO] CI (советский химик Н. М. Синицын, 1962) и [Ru (NH3)5N2] Cl2 (канадский химик А. Аллен, 1965).
На компактные Rh и lr царская водка не действует. При прокаливании в O2образуются окислы Rh2O3 и Ir2O3, разлагающиеся при высоких температурах.
Pd легко растворяется при нагревании в HNO3 и концентрированной H2SO4 с образованием нитрата Pd (NO3)2 и сульфата PdSO4. На Pt эти кислоты не действуют. Царская водка растворяет Pd и Pt, причём образуются комплексные кислоты — тетрахлоропалладиевая кислота H2[PdCl4] и гексахлороплатиновая — коричнево-красные кристаллы состава H2[PtCl6]×6H2O Из её солей наибольшее значение для технологии П. м. имеет хлороплатинат аммония (NH4)2[PtCl6] — светло-жёлтые кристаллы, малорастворимые в воде и почти не растворимые в концентрированных растворах NH4CI. При прокаливании они разлагаются по реакции:
При этом Pt получается в мелкораздробленном виде (т. н. платиновая губка, или губчатая платина).
Получение. Разделение П. м. и получение их в чистом виде очень сложно вследствие большого сходства их химических свойств; это требует большой затраты труда, времени, дорогих реактивов. Для получения чистой Pt исходные материалы — самородную платину, платиновые шлихи (тяжёлые остатки от промывки платиноносных песков), лом (негодные для употребления изделия из Pt и её сплавов) обрабатывают царской водкой при подогревании. В раствор переходят: Pt, Pd, частично Rh, lr в виде комплексных соединений H2[PtCl6], H2[PdCl4], Нз [RhCl6] и H2[IrCl6], а также Fe и Cu в виде FeClз и CuCl2. Нерастворимый в царской водке остаток состоит из осмистого иридия, хромистого железняка (FeCrO2), кварца и др. минералов.
Из раствора осаждают Pt в виде (NH4)2[PtCl6] хлористым аммонием. Но чтобы в осадок вместе с Pt не выпал lr в виде аналогичного нерастворимого соединения (NH4)2[lrCl6] (остальные П. м. NH4Cl не осаждает), предварительно восстанавливают Ir (+4) до Ir (+3) (например, прибавлением сахара C12H22O11 по способу И. И. Черняева). Соединение (NH4)3[IrCl6] растворимо и не загрязняет осадка.
Хлороплатинат аммония отфильтровывают, промывают концентрированным раствором NH4CI (в котором осадок практически не растворим), высушивают и прокаливают. Полученную губчатую платину спрессовывают, а затем оплавляют в кислородно-водородном пламени или в электрической печи высокой частоты. Из фильтрата, оставшегося после осаждения (NH4)2[PtCl6], и из осмистого иридия извлекают прочие П. м. путём сложных химических операций. В частности, для перевода в растворимое состояние нерастворимых в царской водке П. м. и осмистого иридия используют спекание с перекисями BaO2 или Na2O2. Применяют также хлорирование — нагревание смеси Pt-концентратов с NaCl и NaOH в струе хлора.
В результате аффинажа получают труднорастворимые комплексные соединения: гексахлорорутенат аммония (NH4)3[RuCl6], дихлорид тетрамминдиоксоосмия [OsO2(NH3)4] Cl2, хлорпентамминдихлорид родия [Rh (NH3)5CI] Cl2, гексахлороиридат аммония (NH4)2[lrCl6] и дихлордиаммин палладия [Pd (NH3)2] Cl2. Прокаливанием перечисленных соединений в атмосфере H2 получают П. м. в виде губки, например
[OsO2(NH3)4] Cl2 + 3H2 = Os + 2H2O + 4NH3 + 2HCI
[Pd (NH3)2] Cl2 + H2 = Pd + 2NH3 + 2HCI.
Губчатые П. м. сплавляют в вакуумной электрической печи высокой частоты.
Применяют и др. способы аффинажа, в частности основанные на использовании ионитов.
Основным источником получения П. м. служат сульфидные медно-никелевые руды, месторождения которых находятся в СССР (Норильск, Красноярский край), Канаде (округ Садбери, провинция Онтарио), ЮАР(Южно-Африканская Республика) и др. странах. В результате сложной металлургической переработки этих руд благородные металлы переходят в т. н. черновые металлы — нечистые никель и медь. П. м. собираются почти полностью в черновом Ni, a Ag и Au — в черновой Cu. При последующем электролитическом рафинировании Ag, Au и П. м. осаждаются на дне электролитической ванны в виде шлама, который отправляют на аффинаж.
Свойства платиновых металлов
Свойство
Ru
Rh
Pd
Os
lr
Pt
Атомный номер
44
45
46
76
77
78
Атомная масса
101,07
102,9055
11906,4
190,2
192,22
195,09
Среднее содержание в земной коре, % по массе
(5·10-7)
1·10-7
1·10-6
5·10-6
1·10-7
5·10-7
Массовые числа природных изотопов (в скобках указано распространение
* Для Ru обнаружены полиморфные превращения при температурах 1035, 1190 и 1500°С.
** Все механические свойства даны для отожжённых П. м. при комнатной температуре; 1 кгс/мм2=10 Мн/м2. Некоторые параметры не приводятся как установленные неточно.
Применение. Из всех П. м. наибольшее применение имеет Pt. До 2-й мировой войны 1939—45 свыше 50% Pt служило для изготовления ювелирных изделий. В последние 2—3 десятилетия около 90% Pt потребляется для научных и промышленных целей. Из Pt делают лабораторные приборы — тигли, чашки, термометры сопротивления и др., — применяемые в аналитических и физико-химических исследованиях. Около 50% потребляемой Pt (частично в виде сплавов с Rh, Pd, lr, см.(смотри) Платиновые сплавы) применяют как катализаторы в производстве азотной кислоты окислением NH3, в нефтехимической промышленности и мн.(многие)
