Химический элемент Платина

Платина - это тонкий элемент с целым рядом привлекательных химических и физических свойств. Платина широко известна своей высокой ценой и редким природным явлением, но платина имеет решающее значение для нескольких важнейших отраслей промышленности в мире. Благодаря широкому применению платины химики продвинулись вперед в медицине, электронике и химии. Фактически, в качестве доказательства своей важности, platinum определил метрическую систему до 2019 года.

Платина представляет собой скользкое твердое вещество при комнатной температуре и находится примерно в середине периодической таблицы. Он принадлежит к одноименной группе элементов платиновой группы, также состоящей из рутения, родия, иридия, палладия и осмия.

10 интересных фактов о платине
Платина - единственный металл, используемый в электронике кардиостимуляторов.
Метеориты содержат очень большое количество платины.
На каждые 30 граммов добытого золота добывается только один грамм платины.
Платина является наименее реакционноспособным металлом.
Платина очень плотная. 2-футовый куб платины весит больше, чем большинство слонов.
99,5% всех автомобилей, произведенных с 1975 года, имеют платину.
Платина и висмут были впервые обнаружены и зарегистрированы империей инков.
Лондон является центром платиновых инвестиций.
Платина растворяется только в царской водке (смесь серной и азотной кислот).
Платиново-кобальтовые магниты являются одними из наиболее устойчивых к внешним магнитным силам.
Наиболее распространенное применение платины - в ювелирных изделиях, наиболее известное применение металла.
Платиновый элемент в периодической таблице
Платина и все металлы платиновой группы расположены в D-блоке периодической таблицы. Платина с атомным номером 78 имеет электронную конфигурацию [Xe] 4f 14 5d 9 6s 1. Это исключение из типичной электронной конфигурации платины, которая, как ожидается, будет [Xe] 4f 14 5d 8 6s 2. Однако перенос электрона с 6s-орбитали на 5d-орбиталь оказывается более стабильным. Платина, поскольку она имеет неспаренные электроны и находится в D-блоке, является переходным металлом. Платина имеет пять стабильных изотопов (192 Pt, 194 Pt, 195 Pt, 196 Pt и 198 Pt), из которых 195 Pt является наиболее распространенным стабильнымизотоп с естественным содержанием 33,78%. Средняя атомная масса платины составляет 195,08 да. Как и большинство переходных металлов, платина имеет блестящий серебристый цвет.

Химическая инертность платины
Полезность платины часто связана с ее химической инертностью. Будучи самым низким элементом в серии activity, он не реагирует ни с какими другими ионами в виде твердого металла. Инертность Platinum делает его полезным для применений, где отказ невозможен. По этой причине в критически важной электронике, такой как кардиостимуляторы и сателлиты, используется платиновая электроника. Это свойство платины полезно, поскольку оно означает, что твердые платиновые катализаторы служат долго, а измерительные приборы, изготовленные из этого элемента, не будут сильно меняться с течением времени. Платиновые украшения популярны не только из-за своего блеска, но и из-за своей долговечности, обусловленной их инертностью.

Мировой спрос на платину
Платина является драгоценным металлом, и из-за его использования в ювелирных изделиях и промышленности он пользуется большим спросом. Ежегодно перерабатывается 180 тысяч килограммов платины. Однако это соответствует 36 миллиардам килограммов руды, добытой на земле. Более 80 процентов платины в мире добывается и перерабатывается в Южной Африке, а Россия является следующим крупнейшим производителем. Из-за ограниченного предложения стоимость платины часто резко возрастает, при этом текущая цена в феврале 2023 года колеблется около 32 долларов за грамм. Учитывая высокую плотность платины, это 32 доллара за 4 мм куб металла.

Промышленность Используемый процент (используемое количество (кг)) Ориентировочная стоимость (2023)
Автомобильные каталитические нейтрализаторы 45% (81000) $2,6 млрд
Ювелирные изделия 34% (61200) 2,0 млрд долл.
Нефтяной и химический катализ 9.2% (16600) 540 миллионов долларов
Электроника 2.7% (4860) $160 Млн
Инвестиции 1.2% (2160) $71 млн
Противораковые препараты 0.05% (90) $3 млн
Другие применения 8% (14400) 470 миллионов долларов
Доля отрасли и стоимость глобальной годовой платины

Использование платинового элемента
Платина, несмотря на то, что она редкая и дорогая, нашла множество промышленных применений, что делает ее очень практичным элементом. Платина спасает множество жизней, способствует чистой атмосфере, а также имеет множество других важных применений.

Катализ
Платина является полезным катализатором, делая возможными многие реакции, от которых зависит наш современный мир. В выхлопной системе большинства автомобилей установлен каталитический нейтрализатор. Неполное сгорание топлива приводит к образованию токсичных газов, таких как окись углерода и оксиды азота. Каталитические нейтрализаторы имеют тонкую сетку из платины и других металлов, которые катализируют разложение этих газов на менее вредные, такие как диоксид углерода, кислород и азот.

Платина также используется в нефтяной промышленности для разделения более крупных ненасыщенных углеводородов на более мелкие, более полезные. Этот процесс называется крекингом. Соединения платины полезны в области синтетической органической химии, где они катализируют восстановление, гидросилилирование и аминирование.

Медицина
Некоторые противораковые препараты содержат платину. Препараты на основе металлов встречаются очень редко, а препараты на основе платины - тем более. Это семейство препаратов на основе платины известно как платины и очень часто используется при лечении рака яичек и яичников, рака молочной железы и рака легких. Платины обычно представляют собой квадратные комплексы иона платины 2 + и координируют через и амин. При введении в клетки вода замещает хлоридные лиганды на водные лиганды. Эта активированная форма препарата затем очень избирательно связывается с ДНК. РНК-полимераза не может воздействовать на ДНК, связанную с платином, для создания мРНК для генов, кодирующих онкопротеины, тем самым убивая раковые клетки. Отличительной чертой раковых клеток является быстрый рост и пролиферация, что позволяет платинам избирательно воздействовать только на самые быстро размножающиеся клетки. Однако некоторые платины накапливаются в мозге, вызывая потенциальные побочные эффекты.

Платины также являются очень маленькими молекулами, благодаря чему они полностью циркулируют в кровотоке. Однако инъекция является единственным способом введения, поскольку желудочная кислота расщепляет молекулы.

Цис-платин и оксалиплатин
Эталонные стандарты измерения используют платину из-за ее желательной инертности. Вплоть до 2019 года вся метрическая система была основана на элементе platinum. Поскольку платина не вступает в реакцию, масса или размер со временем значительно меняются. Международный прототипный килограмм (IPK) представляет собой прецизионно изготовленный цилиндр из сплава платины и иридия, защищенный вакуумом в штаб-квартире SI в Париже. Этот кусок платины определял точную массу килограмма с 1889 по 2019 год. С тех пор СИ пересмотрел определение килограмма, основываясь на постоянной Планка, частоте перехода цезия и скорости света. Однако некоторые весы по-прежнему используют платиновые эталоны для калибровки.

Платина по-прежнему используется в научных целях в виде лабораторной посуды. Платина является распространенным материалом для изготовления тиглей. Поскольку платина очень инертна, она не вступает в реакцию ни с образцом, ни с воздухом при нагревании и имеет очень высокую температуру плавления.

Открытие платинового элемента
Первые образцы рафинированной платины относятся к ранним коренным племенам Эквадора, однако первым широко распространенным пользователем металла была империя инков. Во время испанских завоеваний платина была впервые зарегистрирована как металл с очень высокой температурой плавления недалеко от Панамы. Позже испанские исследователи увидели, как местные группы перерабатывают металл. К сожалению, эти испанские группы, возглавляемые Антонио де Ульоа, эксплуатировали эти сообщества для добычи серебра; они начали выбрасывать платину как примесь, несмотря на ее необработанную ценность. Однако Пьер-Франсуа Шабано, франко-испанский ученый, обнаружил его замечательные свойства много лет спустя.

Извлечение платины
В настоящее время платина в основном сосредоточена в Южной Африке и России, где она обычно встречается в виде оксидов или коллоидов в почве и впоследствии не образует никаких известных минералов. Это связано с тем, что он в основном образуется из метеоритов, богатых платиной, во время формирования планеты. Химическая обработка руд удаляет любые органические отходы, минералы на основе меди, железа и никеля. Затем эти руды тяжелых металлов нагревают до расплавления и помещают в электролизер, где они восстанавливаются до твердого металла. Используя плотность и магнитные характеристики платины, металлические примеси извлекаются из верхней части смеси с помощью магнита, в то время как платина опускается на дно. Самая чистая, которую может достичь типичная очистка, составляет 95%, но другие методы, менее осуществимые в промышленном масштабе, позволили достичь чистоты ближе к 98%.

Химия платины
Соединения платины
Платина является переходным металлом и взаимодействует с лигандами с образованием комплекса переходного металла. Комплексы чаще всего принимают квадратную плоскую координационную геометрию, но могут также координировать в тетраэдрической или октаэдрической форме.

Платина в квадратной плоской координационной геометрии (слева) и октаэдрической геометрии справа.
Платина также может взаимодействовать с алкенами, алкинами и даже фуллеренами, что редко встречается среди переходных металлов. Многие комплексы платины обладают этой способностью, особенно металлоорганические катализаторы (см. Катализатор Карстедта в разделе "Катализ").

Степени окисления платины
Платина имеет три естественные степени окисления (посмотрите наш изящный эксперимент по степеням окисления ванадия); Платина (II) является наиболее распространенной степенью окисления, и ее содержат обычные соединения платины, такие как катализаторы и цис-платин. Поскольку Pt (IV) более неуловим, он часто является промежуточным звеном в химии платины других соединений. Pt (0) также существует, но он, как правило, нестабилен и имеет связь Pt-Pt в биметаллическом соединении.

Платина реагирует с большинством обычных окислителей и восстановителей, однако при работе с платиной лучше использовать более мягкие органические реагенты, поскольку некоторые степени окисления являются хрупкими.

Физические свойства платины
Платина - это тонкий, относительно мягкий металл, который обладает высокой технологичностью благодаря своей мягкости (пластичности). Платина чаще всего изготавливается в виде тонкой проволоки для создания каталитической сетки для химических реакторов или каталитических нейтрализаторов на автомобилях. При таком изготовлении платина имеет действительно высокое отношение площади поверхности к объему, что увеличивает катализную способность без использования большого количества драгоценного металла.

Атомный символ: Pt
Классификация: Переходный металл
Температура плавления: 1768C
Температура кипения: 3825C
Плотность: 21,45 грамма на миллилитр
Внешний вид: тонкие, хорошо отражающие, квадратные и шестиугольные края
Кристаллическая структура: гранецентрированная-кубическая
Теплоемкость: 0,134 Дж/г/C
Естественное содержание: 0,000001% в земной коре
Электроотрицательность: 2,28 (шкала электроотрицательности Полинга)
Энергии ионизации: 864 кДж/моль (1-й)
Токсичность: Слабо токсичные соли могут накапливаться в таких органах, как легкие, печень и мозг. Некоторые соединения платины являются биологически активными. Металл платины часто биологически инертен.

Как и где купить платиновый элемент
Платина обычно недоступна для широкой публики. Наиболее доступными платиновыми изделиями для широкой публики обычно являются ювелирные изделия, но высокая цена платины часто делает ее покупку таким образом неосуществимой.

Для промышленных и исследовательских целей компании-поставщики редкоземельных металлов могут поставлять элемент в нескольких различных формах. Эти компании перерабатывают платину в сплавы, листы (очень тонкие листы) и тонкие проволочные сетки. Затем компании обычно размещают промышленные заказы на большие количества платины с очень специфическими спецификациями для их использования.