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铂族金属
汽车行业催化剂的材料
基本信息
| 中文名 | 铂族金属 |
| 外文名 | platinum group of metals |
简介
铂族金属
铂族金属
特性
发现
铂族金属
性质
主要物理性质
铂族金属除锇为蓝灰色金属外，其他均为银白色金属。大多数铂族金属都能吸收气体，特别是氢气。钯吸氢 能力最强，常温下1体积钯能吸收900～2800体积的氢。在真空下加热到100℃，溶解的氢就完全放出来了。钯有吸氢和透氢的特性：一定体积的钯常温下能吸收比它本身大900倍甚至2800倍的氢气（见贮氢材料）。铂吸收氧的能力强，1体积铂可吸收70体积的氧。当粒度很细如铂黑、钯黑或呈胶态时，吸附能力更强，故它们有良好的催化特性。纯铂和钯有良好的延展性，不经中间退火的冷塑性变形量可达到90%以上，能加工成微米级的细丝和箔。铑和铱的高温强度很好，但冷塑性加工性能稍差。锇和钌硬度高，但机械加工性能差，用粉末冶金方法制得的金属钌在1150～1500℃时才能进行少量塑性加工，而锇即使在高温下也几乎不能进行塑性加工。
主要化学性质
铂族金属是典型的贵金属，其化学稳定性特别高，具有很好的抗腐蚀和抗氧化能力。它们能抵抗普通酸和化学试剂的腐蚀，铂不与普通酸作用，但能缓慢地溶解于王水中生成氯铂酸（H2PtCl6）。钯在铂族中较为活泼，对酸的抗蚀能力稍差，能很快溶于硝酸。铱、铑、钌能抗单一的酸和化学试剂侵蚀，甚至王水也很难溶解它们。
铂和铑的抗氧化性很好，在空气中能长期保持光泽，不被氧化。在高温下铂和铑与氧气作用生成挥发性的氧化物，增加它的蒸发速度。粉末状的铱在空气或氧气中于 600℃时氧化，生成一层氧化铱（IrO2）薄膜。这种氧化物在高于1100℃时分解，使金属恢复原有光泽。铱是惟一可以在氧化性气氛中使用到2300℃而不严重损失的金属。钌、锇容易被氧化，在室温下，锇的表面就生成蓝色的氧化膜（OsO2）。四氧化锇（OsO4）和四氧化钌（RuO4）都是挥发性的有毒化合物，能刺激粘膜，侵害皮肤。
铂具有优良的热电稳定性、和高温抗氧化性和高温抗腐蚀性。钯能吸收比其体积大2800倍的氢，且氢可以在钯中自由通行。铱和铑能抗多种氧化剂的侵蚀，有很好的机械性能。钌能与氨结合，但不起化学反应，类似某些细菌所特有的性能。锇很脆和很硬，体积弹性模量最大。锇、钌都易氧化，其氧化物有刺激性，毒性大等等。
分类
至今已发现200 余种铂族元素矿物。可分为4大类：
自然金属
半金属互化物
铂、钯、铱、锇等与铋、碲、硒、锑等以金属键或具有相当金属键成分的共价键型化合物；
硫化物与砷化物
铂族元素的主要矿物及其组成见表3.17.2。工业矿物主要有砷铂矿、自然铂、等轴铋碲钯矿、碲钯矿、砷铂锇 矿、碲钯铱矿及铋碲钯镍矿。砷铂矿和等轴铋碲钯矿多见于原生铂矿床，自然铂多产于砂铂矿。贵稀金属是贵金属和稀有金属的总称。由于金和银由人民银行专营，物资部门经营的贵金属主要是铂族元素，而硒、碲、砷属稀散元素，通常称为半金属。
铂：铂是银白色金属，熔点为 1769 度，密度为 21.45g /cm3，主要用于电气、仪表、化学工业、装饰品及制作精密合金等。
钯：钯是银灰色金属，熔点 1552 度，密度 12.16g /cm3，可塑性好，在贵金属中耐蚀性较差，供电气、仪表、化工工业、装饰品及制作精密合金等用。
铱：铱是银灰色金属，熔点为 2443 度，是贵金属中熔点最高的。密度为 22.4g /cm3，是密度第二大的金属。是脆性金属，化学性质稳定，耐酸碱腐蚀，硬度高。用于电气、化学、仪表、轻工等方面，配制精密合金。
锇：锇是灰蓝色金属，熔点为 3033度，密度为22.48 g/cm3，是密度最大的金属。高熔点金属，性脆。主要用于电气、仪表、化学工业及合金等。
钌：钌是银白色金属，熔点为2334度，密度12.37 g/m3。用于电气、仪表、化学工业、高温合金及精密合金等用。
镓：液态镓为银白色金属，固态镓为蓝色结晶金属，质地柔软，熔点为 29.8 度，密度是 5.9g /cm3，在空气中化学性能稳定，镓主要用于半导体工业、制作温度计、配制易熔金属等。
硒：硒是黑色或深灰色玻璃状无定型锭块（红硒与灰硒为硒的结晶变体，主成分不变），属于稀散元素，也称半金属。硒的熔点为 220 度，沸点为 685 度，密度为 40808g /cm3，质脆，主要用于制造整流器、硒感光板、复印硒鼓、合金、搪瓷和玻璃工业等方面。
碲：碲是一种银灰色半金属，属稀散元素，熔点为 450 度，密度为 6.24g /cm3，质脆，具有很高的电阻系数，是逆磁性金属，所以是良好的半导体材料。主要用来制作半导体器件、合金、化工原料及铸铁、橡胶、玻璃等产品的添加剂。
砷：砷是银灰色半金属，属稀散元素。砷的熔点为 814 度，在 613 度时即升华，砷在空气中易氧化，砷的氧化物有剧毒（俗称砒霜），砷的密度为 5.73G /cm3，不溶于水，也不溶于有机溶剂，用于制作合金和半导体器件等。
南非铂矿一部分是天然的铂铁合金，一部分以硫化物形式与铁、镍、铜的硫化矿共存；已探明的可采储量约18000吨，总储量达62200吨，矿石品位3～8克/吨。加拿大的铂族金属主要以硫化物和砷化物与铜、镍硫化矿伴生。可采储量280吨，总储量497吨，矿石品位0.5～0.8克/吨。苏联铂矿有砂矿和共生矿，可采储量6220吨，总储量12440吨，矿石品位8～10克/吨。此外，中国、美国、澳大利亚等均有共生矿床。所有矿石中，铂与其他铂族金属总是共存的。铂族中，铂、钯的量最大，二者合计约占铂族总量的90%。其他铑、铱、锇、钌合计仅约占铂族总量的10%。前苏联矿石中的钯约占铂族总量的60%，其他国家的矿多以铂为主。
其他知识
性质用途
铂族金属除锇为蓝灰色金属外，其他均为银白色金属。它们对普通的酸和化学试剂有优良的抗蚀性能。
钯对酸的抗蚀能力稍差，能很快地溶解于硝酸中。铱、铑、钌能抗单一的酸和化学试剂的侵蚀，甚至在王水中也很难溶解。
一定不要将铂金首饰和黄金首饰同时佩戴，因为黄金质地较软，如果互相摩擦，黄金粉末会吸附在铂金上，使铂金变黄，影响铂金特有的纯净光泽。
如果你的铂金饰品上镶有钻石，建议你每年将铂金饰品送到珠宝店去检验一下，及时进行专业清洁和整修，令铂金钻石首饰常戴常新。
铂和钯对气体有很强的吸附能力，当粒度很细（如铂黑、钯黑）或呈胶态（如胶体铂）时，吸附能力就更强，因此它们具有优良的催化特性（见金属催化剂）。铂族金属为过渡金属，有多个化合价，最稳定的化合价如下：钌为+3；铑为+3；钯为+2，+4；锇为+3，+4；铱为+3，+4；铂为+2，+4。它们有生成络合物的强烈倾向，最常见的是生成配位数4或6的络合物。总之，它们的化学性质很复杂。
金属生产
国外铂族金属生产的发展概论
世界铂族金属工业生产开始于1778年，1823年以前主要依靠哥伦比亚的砂铂矿。1778～1965年，哥伦比亚共生产铂族金属约104吨，其最高年产量为（1928年）1.93吨。1824年俄国乌拉尔大型砂铂矿开采以后，成为世界上最大生产者，1912年的产量曾达6.5吨，到1930年，共生产铂（及少量铱、锇）约245吨。1911年全世界生产6.189吨铂族金属。其中俄国占93.1.，哥伦比亚占6.1%，美国占0.5%，澳大利亚占0.3%。L.Howe估算，截至1917年1月，世界所产铂族金属（249～342吨）其中约90%来自俄国。
1952年后，加拿大产量显著增加，1936年超过苏联居世界首位。60年代以后，苏联、南非成为最主要的生产者。苏联、南非、加拿大的产量占世界产量的98%以上。1980年世界共产铂族金属205吨。其中南非97.9吨，苏联96.4吨，其他10.7吨（主要为加拿大生产）。1985年世界生产铂族金属230吨，苏联和南非分别为115吨和100吨，合计占世界产量的93%。1986年产量为255吨，苏联和南非分别为124吨和116吨，占世界产量的95%。表17-2为世界在1921～1982年间的铂族金属产量的统计。
目前南非是最大的产铂国，（年产量占世界总产量的三分之二）主要是开采布什维尔德火成杂岩体中的麦伦斯基矿脉。UG-2矿脉因为品位高（3～8g/t，平均约5g/t）受到重视而开采，但其产量随市场供需求及价格情况而变动。波动幅度达三分之一。南非最大的铂公司是吕斯腾堡矿业公矿占7%，另外3%由乌拉尔及远东阿尔丹地区的砂矿提供。
加拿大的产量中，国际镍公司占90%，鹰桥镍公司占9%，铂产量（吨）为：1980年，40；1981年，37；1982年，25；1983年，25。其次是英帕拉公司，相应的年产量（吨）为：30；26；22和21。第三是西铂公司，相应年产量（吨）为：2.6，2.9，3.1和2.5。另外还有兰特矿业公司（年生产能力3.7～5.6吨），阿托克公司（约0.5吨）。南非供应西方所需钯量的1/3，1981年产量29吨。
许多国家都积极勘探和开发本国的铂族金属资源，但观其资源及生产前景，今后世界铂族金属的供给仍然主要靠南非、苏联，其中南非主要产铂，苏联主要是钯。
中国铂族金属生产
中国在1965年以前仅从有色金属冶炼的副产品中回收数量有限的铂钯。此后，中国建立，并扩大综合回收铂族金属，其产量逐年增长。
提取富集
砂铂矿或含铂族金属的砂金矿用重选法富集可得精矿，铂或锇、铱的含量能达70%～90%，可直接精炼。
砂铂矿资源日渐减少，且因近代有色金属工业发展，50年代以来铂族金属主要从铜镍硫化共生矿中提取，小部分从炼铜副产品中提取。铜镍硫化共生矿在火法冶金时，精矿中所含的铂族金属90%以上可富集于铜镍冰铜（锍）中。再经转炉吹炼富集成高冰镍后，缓冷、研磨、浮悬和磁选分离，得含铂族金属的铜镍合金。把这种合金硫化熔炼，细磨磁选，以分离铜镍，产出含铂族金属更富的铜镍合金。将此合金铸成阳极，进行电解时，铂族金属进入阳极泥。阳极泥经酸处理后，就可得铂族金属精矿。采用羰基法从镍精矿或铜镍合金制取镍时，铂族留于羰化残渣中，经硫酸处理或加压浸出（见浸取）其他金属后可得铂族精矿。中国金川有色金属公司将含铂族的铜镍合金，再次硫化熔炼和细磨、磁选得到富铂的铜镍合金，用盐酸浸出分离镍，用控制电位氯化法分离铜，然后提取铂族金属。
铂族含量高的高冰镍（如南非的原料），直接用氧压下硫酸浸出，或氯化冶金分离其他金属后获得铂族精矿。铂族精矿可直接溶解、分离、提纯，或先将锇、钌氧化挥发分离后，再分离、提纯其他铂族金属（见镍冶炼过程有价金属的回收）。
在铜的火法冶金和电解精炼过程中，铂族金属和金银一起进入阳极泥。用此种阳极泥炼出多尔银（含少量金的粗银），铂族金属富集于多尔银中。铂族金属在火法炼铅过程中进入粗铅，可用灰吹法除铅得多尔银，铂族便富集其中；如果粗铅加锌脱银，铂族金属富集于银锌壳中，然后脱锌得多尔银。多乐银电解精炼时，为了避免钯损失于电解银中，银阳极的含金量常控制在小于4.5%，同时控制金钯比等于或大于10。若部分钯和少量铂进入硝酸银电解液，可用活性炭吸附，或用“黄药”选择性沉淀加以回收。通常在电解银时，铂族金属富集于银阳极泥中。如铂族金属含量较高，可先用王水溶解阳极泥，然后分别回收；如含量较低，常用硫酸溶解除银，残渣铸成粗金电极，然后电解提金；铂、钯富集于电解母液中，用草酸沉淀金后，用甲酸钠沉淀铂和钯加以回收；富集于金阳极泥中的其他铂族金属可再分离。
分离提纯
铂族金属的提取和精制流程因原料成分、含量的不同而异，典型流程见图。将铂族金属精矿或含铂族金属的阳极泥用王水溶解，钯、铂、金均进入溶液。用盐酸处理以破坏亚硝酰化合物（赶硝），然后加硫酸亚铁沉淀出金。加氯化铵，铂呈氯铂酸铵【（NH4）2PtCl6】沉淀出，煅烧氯铂酸铵可得含铂99.5%以上的海绵铂。分离铂后的滤液，加入过量的氢氧化铵，再用盐酸酸化，沉淀出二氯二氨络亚钯【Pd(NH3）2Cl2】形式的钯，再在氢气中加热煅烧可得纯度达99.7%以上的海绵钯。
经上述王水处理后的不溶物与碳酸钠、硼砂、密陀僧（PbO）和焦炭共熔，得贵铅。用灰吹法除去大部分铅，再用硝酸溶解银和残留的铅，铑、铱、锇、钌富集于残渣中。将此残渣与硫酸氢钠熔融，铑转化为可溶性的硫酸盐，用水浸出，加氢氧化钠沉出氢氧化铑，再用盐酸溶解，得氯铑酸。溶液提纯后，加入氯化铵，浓缩、结晶出氯铑酸铵【（NH4）3RhCl6】。在氢气中煅烧，可得海绵铑。
主要用途
铂族金属和合金有很多重要的工业用途。过去主要是制造蒸馏釜以浓缩铅室法制得稀硫酸，也曾用铂铱合金制造标准的米尺和砝码。在19世纪中叶，俄国曾制造铂铱合金币在市场上流通。早年在照相术上采用“铂黑印片术”，大量使用铂盐，印出的照片美观而持久，一般已不用此法。
在铂铑网下增加金钯捕集网以减少铂、铑的损失。钯是化学工业中加氢的催化剂。此外消除汽车排气污染的催化剂用量增长极快。在美国用于汽车排气净化的铂，1978年为60万金衡盎司（1金衡盎司=31.1035克），占总消费量的51.3%，1979年为66万金衡盎司，占66%。
铂铑合金对熔融的玻璃具有特别的抗蚀性，可用于制造生产玻璃纤维的坩埚。生产优质光学玻璃时，为防止熔融的玻璃被玷污，也必须使用铂制坩埚和器皿。1968年国际实用温标规定，在630.74～1064.43℃范围内的测温标准仪器是 Pt－10Rh/Pt热电偶。用于测量13.81～903.89K温域的标准仪器是铂电阻温度计，其电阻器必须是无应变退火后的纯铂丝，100℃时的电阻比（R100/R0）应大于1.39250。
铂的化学性质稳定，纯铂、铂铑合金或铂铱合金制造的实验室器皿如坩埚、电极、电阻丝等是化学实验室的必备物。铂钴合金是一种可加工的磁能积（即电磁能密度）高的硬磁材料。铂和铂合金广泛用于制造各种首饰特别是镶钻石的戒指、表壳和饰针。铂或钯的合金也可作牙科材料。
铂、钯和铑可作电镀层，常用于电子工业和首饰加工中。银和铂表面镀铑，可增强表面的光泽和耐磨性。
产量价格
铂族金属
铂族金属
铂族金属主要生产国的产量见表2。铂族金属价格波动很大，总的趋势是上涨（表3）。在各部门铂和钯的价格情况，以美国为例，见表3。
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