Все найкраще

«Все найкраще». Відомо, що найефективніші каталізатори отримують з платинових металів. З платини та її сплавів також виготовляють найбільш відповідальні деталі приладів і електроніки. Поясніть, чому такий набір найцінніших властивостей характерний саме для цієї групи металів? Яким був би наш світ, якщо б кларки поширених й рідкісних металів помінялись би місцями?

Платинові метали – це елементи 8 – 10 групи 5 – 6 періодів періодичної системи хімічних елементів. До них належать так звані легкі платинові метали – Рутеній, Родій, Паладій та важкі – Осмій, Іридій Платина.

Платинові метали використовують у вигляді індивідуальних металів і їх сплавів один з одним, а також з Au, Ag, Со, Cu і ін. Сплави платинових металів мають більшу твердість, міцність і стійкість до корозії в порівнянні з індивідуальними металами. Основні області застосування платинових металів та їх сплавів: каталізатори гідрування, дегідрування, окислення, допалювання вихлопних газів автомобілів, в паливних елементах; легуючі добавки в сплавах; матеріали для високотемпературних термопар, термометрів, електричних печей, хімічно стійкого посуду, електродів, електричних контактів, медичних інструментів, склоплавильних апаратів; основні компоненти резистивних і конденсаторних матеріалів; тугоплавкі припої; компоненти постійних магнітів (напр, Pt-сплав Co.); захисні покриття на металах; ювелірна промисловість.

Широке застосування платинових металів обумовлене наступними властивостями:

  • хімічна інертність;
  • висока каталітична активність;
  • тугоплавкість;
  • зовнішній вигляд.

Для пояснення даних властивостей розглянемо будову атомів платинових металів.

Таблиця 1. Властивості платинових елементів

tab1

В атомах Рутенію та Осмію на валентних (n-1)d і ns-підрівнях розташовано по вісім електронів, в атомах Родію та Іридію на валентних підрівнях розташовано по дев’ять електронів, а в атомах Паладію та Платини – по десять електронів. У багатьох з цих елементів простежується «провалювання» ns-електронів на (n-1)d-підрівень.

Подібно до інших важких перехідних металів платиноїди проявляють високі ступені окиснення, аж до +8 (OsO4). Стійкість високих ступенів окиснення збільшується вниз по групах. По періоду по мірі зростання числа валентних електронів та їх спарювання відбувається стабілізація d-підрівня і, відповідно, зменшення стійкості високих ступенів окиснення.

Радіуси атомів Осмію, Іридію та Платини приблизно рівні радіусам Рутенію, Родію та Паладію, що пояснюється ефектом лантаноїдного або f-стиснення. Внаслідок цього платиноїди мають високі значення електронегативності, а також схожі фізичні та хімічні властивості.

Платиноїди є найменш активні в хімічному відношенні метали завдяки відносно невеликому (у порівнянні з d-елементами початку перехідних рядів) атомному радіусу і високому ступені перекривання d-орбіталей. З них лише осмій при нагріванні енергійно взаємодіє з киснем і тільки паладій легко вступає в реакцію з концентрованою нітратною кислотою. З розведеними кислотами дані метали не реагують про що свідчать позитивні значення стандартних електродних потенціалів у водних розчинах.

Каталітична активність визначається електронною конфігурацією і симетрією d-орбіталей поверхневих атомів. Особливістю платинових металів є те, що як гексагональні структури рутенію і осмію, так і щільні кубічні ґратки родію, паладію, іридію і платини мають на поверхні трикутні площини, зручні геометрично для сорбції шестичленних вуглеводневих циклів. Крім того, найменші відстані між атомами цих металів приблизно відповідають відстані між атомами в ненасичених зв’язках. Всі метали сімейства платини мають малий атомний об’єм, який складає 1/7 – 1/5 об’єму калію. А тому вони схильні до комплексоутворення, до утворення сплавів, здатні розчиняти і активувати водень. Для всіх елементів підгрупи платини характерні здатність знаходитись в декількох ступенях окиснення і легкість зміни валентності. Таким чином вони володіють високою каталітичною активністю в реакціях окиснення-відновлення.

Платинові метали досить тугоплавкі, причому температури плавлення зменшуються в горизонтальних рядах Ru-Rh-Pd та Os-Ir-Pt, що пояснюють спарюванням електронів на (n-1)d-підрівнях і зменшенням участі цих електронів в утворенні металічного зв’язку.

Завдяки високій хімічній стійкості метали сімейства платини не окиснюються на повітрі і зберігають благородний вигляд. Саме тому платину та паладій використовують для виробництва ювелірних виробів та як грошовий еквівалент.

Таблиця 2. Властивості платинових металів

tab2

Кларк елементів – система усереднених вмістів, що характеризують поширеність хімічних елементів у великій геохімічній системі (в земній корі, літосфері, атмосфері, гідросфері, біосфері, на Землі загалом або в космосі). У більш вузькому розумінні – числа, які вказують середній вміст хімічних елементів у даному космічному тілі.

Розглянемо можливі наслідки заміни кларків поширених металів на рідкісні на нашій планеті.

Таблиця 3. Кларки елементів на планеті Земля

tab3

Замінивши найбільш поширені металічні елементи найменш поширеними ми порахували зміну маси планети, яка буде приблизно у 12 разів важчою.

Таблиця 4. Кларки елементів на гіпотетичній планеті

tab4

Прискорення вільного падіння такої планети зросте з 9,8 м/с2 до 121,8 м/с2. Для порівняння на Юпітері прискорення вільного падіння складає 25,9 м/с2. Наслідком такої заміни стане дуже велике збільшення сили тяжіння, що унеможливить існування будь-яких форм життя на планеті.

tab5

Розглянемо також випадок заміни поширених металів на рідкісні у земній корі. Найпоширенішими металічними елементами земної кори є Al, Fe, Ca, K, Mg. Алюміній, кальцій та магній входять до складу глиноземів, польових шпатів, каолініту різноманітних силікатів та алюмосилікатів які разом з кварцом є основою ґрунту. При заміні даних елементів, наприклад, на платинові які у природі зустрічаються у вигляді металів склад ґрунту обмежиться наявністю лише силіцій оксиду, який не має потрібних властивостей для росту рослин.

Також платинові метали дуже добре поглинають гази тому склад атмосфери буде суттєво відрізнятися від даного. З вищесказаного можна зробити висновок, що життя на такій планеті буде неможливим.

Висновок.

Унікальні властивості платинових металів зумовлені їхньою будовою атома та речовини.

  • хімічна інертність платинових металів, а також високі температури плавлення та кипіння зумовлені невеликим радіусом атомів, високим ступенем перекривання d-орбіталей і участю d-електронів у металічному зв’язку;
  • висока каталітична активність зумовлена здатністю сорбувати водень, кисень та сполуки з ненасиченими зв’язками, а також схильністю до комплексоутворення;
  • світ в якому кларки поширених і рідкісних металів помінялися би місцями значно буде відрізнятися. Наслідки такого обміну навіть важко уявити.

Додати коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *