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鉑金

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鉑金(Platinum,簡稱Pt),又稱白金,是一種天然形成的白色貴金屬。鉑金早在公元前700年就被人類發現,在人類使用鉑金的2000多年曆史中,它一直被認為是最高貴的金屬之一。
中文名
鉑金
外文名
Platinum
化學式
Pt
分子量
195.078
CAS登錄號
7440-06-4
EINECS登錄號
231-116-1
熔    點
1772 ℃
密    度
21.45 g/cm³
外    觀
帶光澤、有可延展性的銀白色金屬
晶體種類
金屬晶體
溶解性
不溶於水

鉑金基本性質

鉑金物理性質

純鉑為帶光澤、有可延展性的銀白色金屬。它的可延展性是所有純金屬中最高的,勝過金、銀和銅,但其可鍛鑄性卻比金低。鉑金屬的抗腐蝕性極強,在高温下非常穩定,電化學性能亦很穩定。

鉑金化學性質

鉑金的化學性質很穩定,通常不會被氧化,但可被各種鹵素、氰化物、硫和苛性鹼腐蝕。鉑不可溶於氫氯酸和硝酸,但會在熱王水中溶解,形成氯鉑酸(H2PtCl6)。
鉑的最常見氧化態為+2和+4。鉑的+1和+3較少見,雙金屬(或多金屬)化合物中的金屬鍵可以提高其穩定性。四配位鉑(II)化合物通常具有由16個電子形成的平面四邊形結構。鉑屬於軟酸,所以鉑和硫有化學親和性,例如其和二甲基亞碸(DMSO)易形成配合物 [1] 
鉑金屬 鉑金屬

鉑金發現歷史

主流學術觀點認為,鉑這樣的重元素產生於超新星爆炸。鉑產生於Ib型、Ic型、II型超新星內的r-過程,被Ib型、Ic型、II型超新星噴射到宇宙各處。但另有新證據顯示,像鉑、金這樣的重元素也可能產生於兩個中子星相撞 [2] 
人類用鉑史最早可追溯到古埃及。考古學家最早在公元前1200年的古埃及墓與象形文字所用的金內發現了微量鉑。然而,不確定早期埃及人對此金屬的瞭解程度,有可能他們並不知道所用的金內有鉑 [3] 
前哥倫布時期,今厄瓜多爾埃斯梅拉達斯附近曾有原住民用鉑以制各式各樣的金鉑合金製品,包括鼻環、耳環、面具。1557年,意大利人文主義者朱利斯·凱撒·斯卡利傑對鉑金屬作出描述,稱在達連和墨西哥之間所發現的未知貴金屬“用火焰或任何西班牙技術都無法將其熔化” [4] 
1735年至1746年,西班牙軍官、科學家和探險家DonAntonio de Ulloa在南美洲的一個科學考察團工作期間,從新格拉納達(哥倫比亞)採集了鉑金樣本。回到歐洲後,他撰寫了一份關於這種金屬的報告,描述瞭如何開採和使用它。儘管鉑金樣本是在1735年以後從哥倫比亞帶到歐洲的,De Ulloa(德烏洛亞)仍然因為這份1748年的報告而常被認為是鉑金的“發現者” [5]  。關於這種新元素的報道很快傳遍歐洲。科學家們對它的物理特性非常着迷。鉑金不僅看起來美麗,還能抗腐蝕,使用當時的普通加熱技術就可以將它熔化 [5] 
1819年,人們首次在葉卡捷琳堡南部的Verkisetsk砂積礦牀(位於烏拉爾山脈)中發現了鉑金與黃金的合金,不久之後,人們又發現了純金屬鉑金。幾年時間裏,大量鉑金首次被人們從該地區廣袤而豐富的砂積礦牀中開採出來。這些礦牀的形成與露出地面的基性火成岩有關,它們沿着山頂附近以及烏拉爾山脈西坡分佈。如今人們已經認識到,這些礦牀與幾個大型超基性-基性構造有關,它們延伸約900公里,地質學家將該地區稱為“烏拉爾鉑金礦帶”(烏拉爾中部的歷史高產區如今的延伸範圍不到130公里)。砂積礦牀是山體在漫長的地質時期內遭到風化侵蝕的結果。溪水流過受到侵蝕的火成岩構造,將沖積礦牀中的鉑金晶粒和礦塊帶走,然後聚集。記錄顯示,1824年到1970年間,烏拉爾山脈出產了大約450噸鉑金。1843年,人們在葉卡捷琳堡以北130公里處的Nizhny-Tagil村附近發現了一個非常大的鉑金礦塊,重約9600克。上世紀初,俄羅斯的這個地區出產的鉑金約佔世界總產量的95%[6]

鉑金開採與生產

鉑非常罕見,在地殼中的濃度只有百萬分之0.005。自然界中的鉑多以單質出現存在,或與其他鉑系元素或鐵形成合金。單質鉑元素通常出現在沖積層次生礦牀。前哥倫布時期哥倫比亞喬科省的居民曾經開採過的沖積層礦牀至今仍然仍出產鉑系金屬。另一大沖積層礦藏位於俄羅斯烏拉爾山脈。
鈀鉑礦 鈀鉑礦
在鎳和銅礦中,鉑系金屬會以硫化物(如(Pt,Pd)S)、碲化物(如PtBiTe)、銻化物(PdSb)和砷化物(如PtAs2)的形態出現,並且也會與鎳或銅形成合金。砷鉑礦石(砷化鉑PtAs2)是鉑金的主要礦源,它出現在鎳礦當中,主要分佈在加拿大安大略的索德柏立盆地。1927至1975年間,美國阿拉斯加州普拉蒂納姆(Platinum,即“鉑”之意)共產出17噸鉑元素。礦場於1990年停止作業。較罕見的硫砷鉑礦((Pt,Pd,Ni)S)中含有鉑、鈀和鎳元素。硫砷鉑礦出現在南非豪登省布什維爾德雜巖體中的美蘭斯基礦層中。
1865年,人們在南非布什維爾德地區發現了鉻鐵礦,其後於1906年又發現了鉑礦。南非的鉑組金屬資源儲量是世界上最高的 [6]  ,其最大原生礦牀位於布什維爾德雜巖體。其餘兩大礦牀位於俄羅斯諾里爾斯克的大型銅鎳礦,以及加拿大的索德柏立盆地。索德柏立盆地的鎳礦開採量巨大,因為其中的鉑元素只佔百萬分之0.5。美國則有較小的礦藏,例如蒙大拿州的阿布薩洛卡山脈。2010年,南非為鉑的最大產國,其佔總產量的77%,其次為佔13%的俄羅斯。2010年鉑的全球總產量為192噸。印度泰米爾納德邦亦有鉑礦藏,為此印度地質調查局已與泰米爾納德礦物有限公司(TAMIN)簽署協議。2022年,根據《中國礦產資源報告2022》,中國的已查明鉑族金屬總儲量為87.69噸,資源儲量持續下降。從全國各地區儲量分佈來看,我國鉑族金屬主要分佈在甘肅、雲南、河北、四川、新疆和青海等,該地區資源儲量分別為60.14噸、14.08噸、8.30噸、2.94噸、2.22噸和0.02噸。我國鉑族金屬供應端供給不足,2021年中國鉑族金屬總供給量為229.5噸,較上年同比減少4.5%。從供給結構來看,國內鉑族金屬供給來源包括礦山產出、二次資源回收和進口。其中,2021年淨進口194.1噸,佔總供給量的84.6%;二次資源回收26.4噸,佔總供給量的11.5%;礦山產出9噸,佔總供給量的3.9% [7] 
月球和隕石中的鉑含量更高,因此在地球上經火流星撞擊後火山噴發的區域會有較高的鉑丰度。這種礦藏具有商業開採價值,例如索德柏立盆地。
像其餘的鉑系金屬一樣,鉑是鎳和銅的商業開採加工過程的副產品。在銅的電解精煉過程中,銀、金、各鉑系金屬、硒和碲都會下沉至槽的底部,形成“陽極泥”。鉑系金屬的萃取過程便是從這一泥狀物質開始的。
如果在飄沙沉積物或其他礦物中發現純鉑,則可以在移除雜質的過程中將鉑提取。鉑的密度高於大部分的雜質,所以較輕的雜質可以用浮力分離的方式輕易地提取。鉑具有順磁性,而鎳和鐵都具有鐵磁性。混合物經過電磁鐵後,鎳和鐵會被分離出來。鉑的熔點較高,因此可以利用高温把不少雜質熔融去除。最後,鉑不受氫氯酸和硫酸侵蝕,混合物在任一者中經攪拌後,雜質自然會溶解,剩餘的就是鉑 [8] 
原始鉑中也含有金以及其他鉑系元素。要純化原始鉑,可以用王水處理。鈀、金和鉑會溶解,而鋨、銥、釕和銠則不會反應。加入二氯化鐵後,金會沉澱,並可以過濾出來。加入氯化銨之後,氯鉑酸銨會沉澱,經加熱後可以轉化為鉑金屬。未沉澱的六氯鉑酸(IV)可以經鋅元素還原。在實驗室中,也可用類似方法從少量殘留物中萃取出鉑。

鉑金應用

鉑金首飾

鉑金因其獨特的美感和稀有的材料成分,以及化學性質和色澤的較特有穩定性,經常被用來製作高端的珠寶首飾。根據國家規定,只有含鉑量在85%以上的首飾才能被稱之為鉑金首飾。以純度千分數冠以鉑或Pt,如pt900、pt950、pt990,分別表示含鉑量為90%,95%,99%。其中99%稱作足鉑【GB11887-2002】。有關珠寶交易的出版物一般建議珠寶商在鉑的表面刮出些劃痕。在製表業中,不少公司會用鉑來制限量版鐘錶系列。鉑既不會失去光澤,又不會刮損(相比金而言),非常適宜作鐘錶材料。

鉑金催化

鉑的最大用途是做化學反應的催化劑。例如汽車的三元催化轉換器中就含有鉑 [9]  ,其使廢氣中低濃度未燃燒的碳氫化合物能夠完全燃燒,產生二氧化碳和水汽,同時降解掉由於燃料的不完全燃燒產生的有毒有害物質。在石油業中,鉑可以用來催化若干個不同的反應,例如催化重整。鉑金屬還可以很好地催化過氧化氫分解為水和氧氣的反應。

鉑金度量衡標準

在1889至1960年間,米的定義以一件特製的鉑銥合金(90比10)棒之長度為標準,這根棒稱為國際米原器。1799年的原器則是用鉑所制。國際公斤原器是用1879年的同批鉑銥合金製成的圓柱體,至今仍然是公斤的標準砝碼。

鉑金電極

在實驗室當中,鉑金屬絲可用作電極。例如標準氫電極用鉑黑。船隻、管道和鋼鐵碼頭也都會用到含鉑的陽極抗腐蝕。
鉑電極 鉑電極

鉑金貿易品

鉑是貴金屬貿易商品。鉑錠的ISO貨幣代碼為“XPT”。鉑幣、鉑條和鉑錠可以作交易或收藏。根據上海黃金交易所數據,2023年鉑金均價為227.76元/克 [10]  ,全年總交易量為77336千克 [11] 

鉑金各類其他用途

合金添加劑(如金屬細絲、抗腐蝕實驗容器、醫療器材、假牙、電觸頭、熱電偶、鉑鈷合金、鐵鉑合金)、支架(熱重分析會用鉑制的盤和支架)。
參考資料
  • 1.    Han, Y.; Huynh, H. V.; Tan, G. K. Mono- vs Bis(carbene) Complexes: A Detailed Study on Platinum(II)−Benzimidazolin-2-ylidenes. Organometallics. 2007, 26 (18): 4612.
  • 2.    劉安立.中子星碰撞 金鉑滿堂[J].大自然探索,2018(01):26-33.
  • 3.    Rayner W. Hesse. Jewelrymaking Through History: An Encyclopedia. Greenwood Publishing Group. 2007: 155–156.
  • 4.    Ferreiro, Larrie: Measure of the Earth: The Enlightenment Expedition that Reshaped Our World (New York: Basic Books, 2011) ISBN 978-0-465-01723-2
  • 5.    https://www.gia.edu/CN/platinum-from-ural-mountains-russia-reading-list
  • 6.    黃永祥.南非某鉑金礦緩傾斜薄礦體開採技術研究[J].礦業研究與開發,2021,41(01):5-9.DOI:10.13827/j.cnki.kyyk.2021.01.002.
  • 7.    https://www.seccw.com/Document/detail/id/19890.html
  • 8.    Heiserman, David L. Exploring Chemical Elements and their Compounds. TAB Books. 1992: 272–274.
  • 9.    張朝宏,張立,李國棟等.廢汽車三元催化劑濕法回收鉑族金屬研究[J].再生資源與循環經濟,2023,16(10):26-31.
  • 10.    https://wocha.cn/huilv/?pt-2023
  • 11.    https://www.sge.com.cn/h5_zdygz/pdfxq/10005767?topic=hqyb
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