铂金(Platinum,简称Pt),又称白金,是一种天然形成的白色
贵金属。铂金早在公元前700年就被人类发现,在人类使用铂金的2000多年历史中,它一直被认为是最高贵的金属之一。
基本性质
物理性质
纯铂为带光泽、有可延展性的银白色
金属。它的可延展性是所有纯金属中最高的,胜过金、银和铜,但其可锻铸性却比金低。铂金属的抗腐蚀性极强,在高温下非常稳定,电化学性能亦很稳定。
化学性质
铂金的化学性质很稳定,通常不会被氧化,但可被各种卤素、
氰化物、硫和苛性碱腐蚀。铂不可溶于
氢氯酸和
硝酸,但会在热王水中溶解,形成氯铂酸(H2PtCl6)。
铂的最常见氧化态为+2和+4。铂的+1和+3较少见,双金属(或多金属)化合物中的金属键可以提高其稳定性。四配位铂(II)化合物通常具有由16个电子形成的平面四边形结构。铂属于软酸,所以铂和硫有化学亲和性,例如其和二甲基亚砜(DMSO)易形成配合物。
发现历史
主流学术观点认为,铂这样的重元素产生于超新星爆炸。铂产生于Ib型、Ic型、II型超新星内的r-过程,被Ib型、Ic型、II型超新星喷射到宇宙各处。但另有新证据显示,像铂、金这样的重元素也可能产生于两个中子星相撞。
人类用铂史最早可追溯到古埃及。考古学家最早在公元前1200年的古埃及墓与象形文字所用的金内发现了微量铂。然而,不确定早期埃及人对此金属的了解程度,有可能他们并不知道所用的金内有铂。
前哥伦布时期,今厄瓜多尔埃斯梅拉达斯附近曾有原住民用铂以制各式各样的金铂合金制品,包括鼻环、耳环、面具。1557年,意大利人文主义者朱利斯·凯撒·斯卡利杰对铂金属作出描述,称在达连和墨西哥之间所发现的未知贵金属“用火焰或任何西班牙技术都无法将其熔化”。
1735年至1746年,
西班牙军官、科学家和探险家Don Antonio de Ulloa在南美洲的一个科学考察团工作期间,从新格拉纳达(哥伦比亚)采集了铂金样本。回到欧洲后,他撰写了一份关于这种金属的报告,描述了如何开采和使用它。尽管铂金样本是在1735年以后从哥伦比亚带到欧洲的,De Ulloa(德乌洛亚)仍然因为这份1748年的报告而常被认为是铂金的“发现者”。关于这种新元素的报道很快传遍欧洲。科学家们对它的物理特性非常着迷。铂金不仅看起来美丽,还能抗腐蚀,使用当时的普通加热技术就可以将它熔化。
1819年,人们首次在叶卡捷琳堡南部的Verkisetsk砂积矿床(位于乌拉尔山脉)中发现了铂金与黄金的合金,不久之后,人们又发现了纯金属铂金。几年时间里,大量铂金首次被人们从该地区广袤而丰富的砂积矿床中开采出来。这些矿床的形成与露出地面的基性火成岩有关,它们沿着山顶附近以及乌拉尔山脉西坡分布。如今人们已经认识到,这些矿床与几个大型超基性-基性构造有关,它们延伸约900千米,地质学家将该地区称为“乌拉尔铂金矿带”(乌拉尔中部的历史高产区如今的延伸范围不到130千米)。砂积矿床是山体在漫长的地质时期内遭到风化侵蚀的结果。溪水流过受到侵蚀的火成岩构造,将冲积矿床中的铂金晶粒和矿块带走,然后聚集。记录显示,1824年到1970年间,乌拉尔山脉出产了大约450吨铂金。1843年,人们在叶卡捷琳堡以北130千米处的Nizhny-Tagil村附近发现了一个非常大的铂金矿块,重约9600克。上世纪初,俄罗斯的这个地区出产的铂金约占世界总产量的95%。
开采与生产
铂非常罕见,在地壳中的浓度只有百万分之0.005。自然界中的铂多以单质出现存在,或与其他铂系元素或铁形成合金。单质铂元素通常出现在冲积层次生矿床。前哥伦布时期哥伦比亚乔科省的居民曾经开采过的冲积层矿床至今仍然仍出产铂系金属。另一大冲积层矿藏位于俄罗斯乌拉尔山脉。
在镍和铜矿中,铂系金属会以硫化物(如(Pt,Pd)S)、碲化物(如PtBiTe)、锑化物(PdSb)和砷化物(如PtAs2)的形态出现,并且也会与镍或铜形成合金。砷铂矿石(砷化铂PtAs2)是铂金的主要矿源,它出现在镍矿当中,主要分布在加拿大安大略的索德柏立盆地。1927至1975年间,美国阿拉斯加州普拉蒂纳姆(Platinum,即“铂”之意)共产出17吨铂元素。矿场于1990年停止作业。较罕见的硫砷铂矿((Pt,Pd,Ni)S)中含有铂、钯和镍元素。硫砷铂矿出现在南非豪登省布什维尔德杂岩体中的美兰斯基矿层中。
1865年,人们在南非布什维尔德地区发现了铬铁矿,其后于1906年又发现了铂矿。南非的铂组金属资源储量是世界上最高的
月球和陨石中的铂含量更高,因此在地球上经火流星撞击后火山喷发的区域会有较高的铂丰度。这种矿藏具有商业开采价值,例如
索德柏立盆地。
像其余的铂系金属一样,铂是镍和铜的商业开采加工过程的副产品。在铜的电解精炼过程中,银、金、各铂系金属、硒和碲都会下沉至槽的底部,形成“阳极泥”。铂系金属的萃取过程便是从这一泥状物质开始的。
如果在飘沙沉积物或其他矿物中发现纯铂,则可以在移除杂质的过程中将铂提取。铂的密度高于大部分的杂质,所以较轻的杂质可以用浮力分离的方式轻易地提取。铂具有顺磁性,而镍和铁都具有铁磁性。混合物经过电磁铁后,镍和铁会被分离出来。铂的熔点较高,因此可以利用高温把不少杂质熔融去除。最后,铂不受氢氯酸和硫酸侵蚀,混合物在任一者中经搅拌后,杂质自然会溶解,剩余的就是铂
原始铂中也含有金以及其他铂系元素。要纯化原始铂,可以用王水处理。钯、金和铂会溶解,而锇、铱、钌和铑则不会反应。加入二氯化铁后,金会沉淀,并可以过滤出来。加入氯化铵之后,氯铂酸铵会沉淀,经加热后可以转化为铂金属。未沉淀的六氯铂酸(IV)可以经锌元素还原。在实验室中,也可用类似方法从少量残留物中萃取出铂。
相关化合物
铂元素化学性质稳定,不易与绝大多数物质发生反应生成化合物。常见的铂化合物主要有以下几类
卤化物
铂可以与卤素单质在可控条件下发生反应,例如其可与F2化合产生多种氟化物。类似的,其也可以与Cl2、Br2、I2直接反应生成相应的四卤化物。
络合物
铂单质通常不溶于酸,但若在酸性环境中提供合适的配体即可使铂单质溶解产生相应的络合物。如其可溶于王水中产生H2PtCl6。此外,铂元素也能与一系列的典型配体(如NH3、CO、EDTA等)络合产生相应的络合物。这些络合物在医学、材料领域均有应用(例如顺式Pt(NH3)2Cl2可用于抗肿瘤,H2PtCl6是实验室中常见的铂单质合成前驱体)。
应用
首饰
铂金因其独特的美感和稀有的材料成分,以及化学性质和色泽的较特有稳定性,经常被用来制作高端的珠宝首饰。根据国家规定,只有含铂量在85%以上的首饰才能被称之为铂金首饰。以纯度千分数冠以铂或Pt,如pt900、pt950、pt990,分别表示含铂量为90%,95%,99%。其中99%称作足铂【GB11887-2002】。有关珠宝交易的出版物一般建议珠宝商在铂的表面刮出些划痕。在制表业中,不少公司会用铂来制限量版钟表系列。铂既不会失去光泽,又不会刮损(相比金而言),非常适宜作钟表材料。
催化
铂的最大用途是做化学反应的催化剂。例如汽车的三元催化转换器中就含有铂,其使废气中低浓度未燃烧的碳氢化合物能够完全燃烧,产生二氧化碳和水汽,同时降解掉由于燃料的不完全燃烧产生的有毒有害物质。在石油业中,铂可以用来催化若干个不同的反应,例如催化重整。铂金属还可以很好地催化过氧化氢分解为水和氧气的反应。
度量衡标准
在1889至1960年间,米的定义以一件特制的铂铱合金(90比10)棒之长度为标准,这根棒称为国际米原器。1799年的原器则是用铂所制。国际公斤原器是用1879年的同批铂铱合金制成的圆柱体,至今仍然是公斤的标准砝码。
电极
在实验室当中,铂金属丝可用作电极。例如标准氢电极用铂黑。船只、管道和钢铁码头也都会用到含铂的阳极抗腐蚀。
贸易品
铂是贵金属贸易商品。铂锭的ISO货币代码为“XPT”。铂币、铂条和铂锭可以作交易或收藏。根据上海黄金交易所数据,2023年铂金均价为227.76元/克,全年总交易量为77336千克。
各类其他用途
合金添加剂(如金属细丝、抗腐蚀实验容器、医疗器材、假牙、电触头、热电偶、铂钴合金、铁铂合金)、支架(热重分析会用铂制的盘和支架)。