Строение атома платины. Платина: история открытия элемента Платиновый химический

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Платина расположена в шестом периоде VIII группе побочной (В) подгруппе Периодической таблицы.

Относится к элементам d -семейства. Металл. Обозначение - Pt. Порядковый номер - 78. Относительная атомная масса - 195,84 а.е.м.

Электронное строение атома платины

Атом платины состоит из положительно заряженного ядра (+78), внутри которого есть 78 протонов и 118 нейтронов, а вокруг, по шести орбитам движутся 78 электронов.

Рис.1. Схематическое строение атома платины.

Распределение электронов по орбиталям выглядит следующим образом:

78Pt) 2) 8) 18) 32) 17) 1 ;

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4f 14 5s 2 5p 6 5d 9 6s 1 .

Валентными электронами платины являются расположенные на 5d — и 6s -подуровнях электроны. Энергетическая диаграмма основного состояния принимает следующий вид:

Валентные электроны атома платины можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: n (главное квантовое), l (орбитальное), m l (магнитное) и s (спиновое):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Обозначается знаком Pt.

История платины

Древний мир уже знал металлическую платину. При археологических раскопках в Египте в руинах древних Фив был найден художественной работы футляр, относимый специалистами к VII в. до н. э. В этой реликвии древнего мира находилось зерно богатой иридием платины.

В начале I в. н. э. промывальщики золотоносных песков в Испании и Португалии стали проявлять заметный интерес к полезному использованию «белого свинца», или «белого золота», как тогда называли платину. По свидетельству римского писателя Плиния Старшего (автора 37-томной книги «Естественная история»), «белый свинец » добывался из золотых россыпей Валиссии (Северо-западная Испания) и Лузитании (Португалия). Плиний рассказывает, что «белый свинец» собирался при промывке вместе с золотом на дно корзин и плавился отдельно.

Задолго до захвата Южной Америки испанскими и португальскими конкистадорами - платина добывалась культурным туземным народом - инками, не только владевшими секретом очистки и ковки этого драгоценного металла, но и умевшими искусно выделывать из него различные предметы и украшения.

Эпоха падения Римской империи знаменуется исчезновением из обихода ювелиров и торговцев драгоценностями из платины. Прошло много столетий, и только во второй половине XVIII в. платиной и ее физико-химическими свойствами начали интересоваться ученые.

В 1735 году испанский математик Антонио де-Ульоа, находясь в Экваториальной Колумбии, обратил внимание на частое нахождение совместно с золотом неизвестного ему металла, блеск которого несколько напоминал блеск серебра, но всеми прочими качествами более походившего на золото . Этот диковинный металл заинтересовал де-Ульоа, и он привез в Испанию образцы колумбийской платины.

В XVIII столетии, когда платина еще не имела промышленного применения, ее подмешивали к золоту и к золотым и серебряным изделиям. Об этой «порче» драгоценных металлов узнало испанское правительство. Опасаясь возможности массовой подделки золотой монеты, оно решило уничтожать всю платину, добываемую совместно с золотом в колониальных владениях королевства. В 1735 году был издан декрет, предписывавший уничтожать всю добывающуюся в Колумбии платину. Этот декрет действовал несколько десятилетий. Специальные чиновники в присутствии свидетелей периодически бросали наличные запасы платины в реку.

В конце XVIII в. испанские короли сами стали «портить» золотую монету, подмешивая к ней платину.

Техническое использование платины

В 1752 году директор шведского монетного двора Шеффер объявил об открытии им нового химического элемента - платины. Спутники платины - палладий, иридий, родий, рутений и осмий - были открыты значительно позднее, в XIX веке. Шесть перечисленных химических элементов, стоящих в восьмой группе периодической системы Менделеева, составляют группу, именуемую платиновыми металлами. Все эти металлы обладают многими сходными физическими и химическими свойствами и встречаются в природе большей частью совместно.

На заре внедрения платины в технику ученые занимались ею большей частью из одного любопытства, но по мере углубленного изучения свойств платины она довольно быстро начала находить широкое применение, особенно в химической промышленности. Оказалось, что платина растворима только в царской водке, нерастворима в кислотах и постоянна при накаливании.

Вслед за появлением первых образцов химической посуды, изготовленной из платины, ее начали применять для изготовления перегонных аппаратов для серной кислоты. С этого момента стал резко увеличиваться рост обработки платины, так как ею стали пользоваться в производстве кислотоупорной и жароустойчивой лабораторной химической аппаратуры, инструментов и различных приборов (тиглей, колб, котлов, щипцов и т. д).

В пирометрии используют исключительную устойчивость платины и ее сплавов к высоким температурам.

Ценные, а порой незаменимые свойства платины и палладия уже давно используются в каталитических процессах. Значительное количество платины расходуется на изготовление контакта для сернокислотных заводов, где она служит катализатором при окислении сернистого газа в серный ангидрид. Платина в виде сетки служит катализатором при окислении аммиака в аппаратах различных систем. Многочисленные органические синтезы также требуют применения платинового катализатора. Палладиевый катализатор применяется в производстве синтетического аммиака и при получении некоторых органических препаратов. В производстве синтетического аммиака по Габеру-Росеннолю применяется также осмий.

В электротехнике платиновые металлы, как правило, применяются в виде сплавов. Вот далеко не полный список деталей электроаппаратов, где используются платиновые сплавы: иглы для выжигания, приборы для электрических измерений, электроды (катоды и антикатоды для рентгеновских трубок), проволоки и ленты для сопротивлений электрических печей, контакты магнето (автомобили, двигатели внутреннего сгорания), контактные точки (телеграфия, телефония), наконечники громоотводов и т. д.

В электрохимии платина применяется при получении различных электролитических продуктов. Медицина и зубоврачевание являются одними из старейших потребителей платины. Отметим также применение платины для хирургии в виде наконечников приборов, служащих для прижигания, шприцев для впрыскивания и вливания и т. п.

Ювелирное искусство занимает ведущее положение как потребитель платины в виде сплавов. Платиновые оправы для драгоценных камней дают лучший блеск и более чистую воду, чем оправы из других благородных металлов.

Наконец, в виде солей платина и ее спутники требуются для фотографии, для изготовления лекарственных препаратов (соли родия и рутения) и для приготовления красок по фарфору (родий, иридий - черная краска, палладий - серебристая).

Платина используется и в военном доле, например для изготовления контактов, служащих для производства детонации при взрыве мин, и т. п.

Добыча платины

Первое место в мировой добыче платины принадлежит району Онтарио в Канаде. Здесь в 1856 году были открыты крупные месторождения медно-никелевых руд Сюдбери, в которых на ряду с золотом и серебром присутствует и платина.

До первой мировой войны канадская платина не привлекала к себе внимания, и практический интерес к ней возник только в 1919 году, когда вследствие гражданской войны на Урале добыча русской платины сильно упала, и мировой рынок стал ощущать большой недостаток в этом ценном металле. С 1919 года шламы медно-никелевого производства Сюдбери стали подвергать тщательной переработке с целью извлечения металлов платиновой группы, тем более что себестоимость попутной добычи платины и ее спутников очень низка.

Второе место в мире по добыче платины занимает Россия. Заметные количества платины добываются в Колумбии. Из других стран, производящих платину, можно указать Эфиопию и Конго. Добытая непосредственно из недр платина, а также платина, полученная из руд, подвергается специальной обработке или аффинажу. Аффинаж состоит из обычных процессов, применяемых в небольших масштабах в практике аналитических лабораторий - растворения, выпаривания, фильтрования, осаждения и т. д. В результате этих операций получается чистая платина и раздельно ее спутники.

Месторождения платины в России

Главной платиноносной провинцией Урала является западная зона глубинных изверженных пород, непрерывно прослеживающихся на протяжении 300 км в области Среднего Урала. Месторождения платины в этой зоне связаны, главным образом, с изверженными породами. При выветривании и разрушении этих пород и при перемывании продуктов выветривания реками образуются чисто платиновые россыпи, представляющие исключительную особенность Урала и давшие главную массу добытой до сих пор платины.

В области восточной зоны глубинных изверженных пород находится ряд менее ценных месторождений платины. Здесь платина встречается совместно с золотом и осмистым иридием. Благодаря разрушению и размыванию этих пород образуются смешанные золото-платиновые и золото-осмисто-иридиево-платиновые россыпи, менее ценные с точки зрения добычи платины, которая является здесь лишь примесью к золоту.

Уральская платина до войны 1914-1918 гг. занимала первое место на мировом рынке. В первой половине XIX в. (с 1828 по 1839 г.) в России из уральской платины чеканилась монета. Однако чеканка такой монеты была прекращена вследствие неустойчивости курса на платину и ввоза в Россию поддельной монеты.

Несмотря на то, что в России аффинажем платины начали заниматься тотчас же после открытия на Урале платиновых месторождений. до революции количество перерабатывавшейся в нашей стране платины составляло всего 10-13% добываемого металла. Большая часть сырой платины и полупродукты аффинажа вывозились за границу.

В Москве уже боле 100 лет существует аффинажный завод, где занимаются механической переработкой аффинированной платины и сплавов. Здесь же производят ковку, прокатку, протяжку проволоки, изготовление химической посуды, сетки электродов, контактов, пирометров, электронагревательных приборов и других изделий.

Платина (англ. Platinum, франц. Platine, нем. Platin), вероятно, была известна еще в древности. Первое описание платины как металла весьма огнестойкого, который можно расплавить лишь с помощью "испанского искусства", сделал итальянский врач Скалингер в 1557 г. По-видимому, тогда же металл получил и свое название "платина". Оно отображает пренебрежительное отношение к металлу, как мало к чему пригодному и не поддающемуся обработке. Слово "платина" произошло от испанского названия серебра - плата (Plata) и представляет собой уменьшительную форму этого слова, которое по-русски звучит, как серебрецо, серебришко (по Менделееву - серебрец). Интересно отметить, что слово платина созвучно русскому "плата" (платить, оплата и пр.) и близко ему по смыслу. В XVII в. платина называлась Platina del Pinto, так как она добывалась в золотистом песке реки Пинто в Южной Америке; существовало и другое название подобного рода - Platina del Tinto от реки Rio del Tinto в Андалузии. Более подробно платину описал в 1748 г. де Уоллоа - испанский математик, мореплаватель и торговец. Начиная со второй половины XVIII в. платиной, ее свойствами, методами переработки и использования стали интересоваться многие химики-аналитики и технологи, в том числе и ученые Петербургской академии наук. Наиболее важные работы в этой области в первой половине XIX в.- это создание методов получения ковкой платины (Соболевский, Волластон и др.), открытие ее некоторых соединений (Мусин-Пушкин и др.) и металлов платиновой группы.

Платина – редкий блестящий металл серебристого цвета. Занимает особое место среди остальных благородных металлов, являясь обычно более дорогим, чем золото и серебро.

Это обусловлено тем, что добыча платины – крайне трудоемкий процесс и этот металл встречается очень редко. К примеру, для получения одной унции золота достаточно очистить три тонны руды, а, чтобы извлечь аналогичное количество платины, нужно обработать до десяти тонн породы.

История использования металла

Платина была известна еще до нашей эры. Ее использовали в Древнем Египте для изготовления разнообразных украшений. Также она была распространена в племенах инков, но со временем была забыта. На фото можно увидеть платиновые изделия, обнаруженные археологами:

Только спустя долгое время открытие этого вещества произошло благодаря испанским путешественникам, осваивавшим Южную Америку. Изначально ее не оценивали по достоинству, что видно из названия. «Platina» в переводе с испанского можно сформулировать как «маленькое серебро».
Соответственно и ценилась платина намного меньше, чем драгоценные металлы. Нередко ее даже считали недозревшим золотом или неправильным серебром (благодаря цвету) и попросту выбрасывали. Она отличается тугоплавкостью и высокой плотностью. Поэтому считалась непригодной для какого-либо использования.

Однако потом было обнаружено интересное свойство – этот драгоценный металл имеет способность легко сплавляться с золотом. Ювелиры взяли это на вооружение и активно стали примешивать платину в золотые изделия, понижая тем самым стоимость их изготовления. Причем делалось это настолько искусно, что обнаружить подделку было практически нереально. Из-за высокой плотности платины даже малый ее объем увеличивал вес готового изделия, но это компенсировалось добавлением в сплав некоторого количества серебра, что не влияло на цвет. Такое мошенничество было все же распознано, и ввоз драгоценного металла в Европу на некоторое время был запрещен законом.

В качестве самостоятельного химического элемента платина была признана лишь в середине восемнадцатого столетия. Тщательное изучение ее качеств позволило найти первое применение этого металла.

Физические и эксплуатационные свойства платины, особенно сопротивление различным воздействиям и высокая плотность, послужили основой для того, чтобы изготавливать из нее полезное оборудование. В частности, платиновые реторты успешно применялись для концентрирования едкой серной кислоты.

Делались такие сосуды изначально с помощью ковки либо прессования, так как в те времена научный прогресс не мог обеспечить необходимую температуру в печах для плавления. К концу девятнадцатого века удалось расплавить платину, применив для этого пламя, возникающее при горении гремучего газа.

Платина в России

История этого благородного металла в России берет свое начало в 1819 году, когда он был впервые найден на Урале, недалеко от Екатеринбурга. Через пять лет залежи платины были найдены в Нижнетагильском округе. Россыпи оказались такими обильными, что Россия стремительно стала лидером по добыче во всем мире.

На фото можно увидеть крупнейший самородок, добытый на этих месторождениях:

Его вес составлял 12 кг (к сожалению, позднее он был переплавлен).

Уральская платина активно выкупалась иностранными компаниями, особенно возрос экспорт после того, как был разработан промышленный метод очистки ее от примесей и создания чистых слитков серебристого цвета. Изначально за рубежом она пользовалась огромным спросом в Англии и Франции, позднее к ним присоединились США и Германия.

В процессе исследований ученые обнаружили некоторые элементы, входящие в состав самородной платины. Первыми пополнили периодическую таблицу Менделеева палладий и родий, позже были выделены иридий и осмий. И заключительным элементом, входящим в платиновую группу, стал рутений, обнаруженный в 1844 году.

В связи с тем, что объемы добываемой платины на Урале были чрезвычайно высоки и большая часть металла просто не находила достойного применения, в 1828 году было принято решение о выпуске платиновых монет. На фото изображены первые монеты из этого драгоценного металла российского производства.

К тому времени уже был найден способ изготавливать различные изделия высокого качества. Этот метод, получивший название порошковой металлургии, широко используется и в наши дни. На данный момент русские монеты 19 века из платины имеют колоссальную ценность. Стоимость одного экземпляра может доходить до 5000 долларов США.

Для изготовления ювелирных изделий большая часть добытой платины использовалась вплоть до середины двадцатого столетия, после чего ее стали употреблять чаще в технических целях. Она применяется в следующих отраслях:

• Автомобилестроение (для изготовления катализаторов);
• Электротехника (создание элементов для электропечей, подвергающихся воздействию высоких температур);
• Нефтехимический и органический синтез;
• Синтез аммиака.

Также она применяется в изготовлении деталей стекловаренных печей, разнообразного лабораторного оборудования, аппаратуры для производств, где необходимо сопротивление химическим и температурным воздействиям.

Основные свойства

Нередко можно услышать мнение, что платина и белое золото – одно и то же. Но на самом деле такое утверждение в корне неверно, они схожи лишь цветом.

Платина – химический элемент таблицы Менделеева (естественной классификации элементов по электронной структуре атомов), со своими характерными свойствами. Хотя на фото можно заметить некоторое сходство с белым золотом по внешнему виду.

Она представляет собой драгоценный металл серебристого цвета, но выглядит все же несколько иначе, нежели серебро. Отличается от других также своими характеристиками и способами применения.

Физические и химические свойства платины

Этот элемент является тугоплавким металлом с высокой плотностью, для ее плавления необходима температура 1769 градусов по Цельсию, а для закипания – 3800 градусов, что обусловлено низкой удельной теплопроводностью.

Также это один из самых тяжелых металлов в таблице Менделеева. По этому показателю его превосходят лишь два других элемента платиновой группы – осмий и иридий. Плотность в обычных условиях составляет 21,45 грамма на квадратный дециметр. Удельный вес – 21,45 грамма на кубический сантиметр. Этот показатель выше, чем у золота и практически в два раза превосходит удельный вес серебра.

Твердость платины – это еще одно качество, благодаря которому она получила свое применение в промышленности и ювелирном деле. Сопротивление различным внешним воздействиям делает процесс обработки и изготовления изделий более трудоемким, но ее эксплуатационные свойства с лихвой компенсируют такие неудобства.

К примеру, ювелирные украшения могут быть выполнены целиком из чистой платины, в то время как золото и серебро требуют в составе примесей иных материалов для обеспечения прочности.

Также стоит отметить высокую пластичность этого металла. Из него можно изготовить тончайший лист фольги или легкую проволоку, при этом не потеряв основных свойств.

Платина входит в состав группы благородных металлов, так как не имеет способности к окислению и оказывает сопротивление коррозии. Высокая инертность металла не позволяет взаимодействовать с кислотами или щелочами. Может быть растворена только в «царской водке» и жидком броме, подвержена растворению при длительном воздействии горячей серной кислоты.

При нагревании данного вещества возрастает возможность взаимодействия с иными химическими элементами, веществами и сплавами. Увеличение температуры позволяет получить оксид платины, образующийся на поверхности металла. Существует несколько его разновидностей, которые легко отличить по цвету.

Самыми известными являются:

• Черный PtO (темно-серого цвета);
• Оксид платины PtO2 (коричневого цвета);
• Оксид PtO3 (красно-коричневого цвета).

Быстрота и степень окисления этого металла напрямую зависит от того, насколько свободно кислород поступает к поверхности и каково его давление. Препятствием к окислению могут послужить иные металлы, расположенные на поверхности платины. Поэтому наибольшее окисление следует ожидать от чистого металла без каких-либо примесей.

В зависимости от конкретного соединения платина может демонстрировать различную степень окисления. Этот показатель варьируется от 0 до +8.

Обладая достаточно низким удельным сопротивлением, этот металл является неплохим проводником, уступая в этом свойстве алюминию, меди и серебру. Показатель удельного сопротивления близок к железу.

Соответственно, удельная проводимость платины (величина, обратная удельному сопротивлению) занимает аналогичное положение среди других элементов таблицы Менделеева. Так как она является проводником, ее удельное сопротивление возрастает по мере нагрева, а удельная проводимость, наоборот, падает. Такое свойство обусловлено тем, что частицы в составе платины начинают двигаться в хаотичном порядке при возрастании температуры. А это, в свою очередь, создает препятствия для прохождения электрического тока.

Одним из наиболее важных качеств, которое широко используется в производстве, является свойство этого благородного металла выступать в качестве катализатора многочисленных химических реакций. Обычно применяется в сплаве с родием либо как платиновая чернь – тонкий порошок характерного черного цвета, получаемый в результате восстановления соединений.

Довольно широко распространены в настоящее время платиновые термометры сопротивления (проиллюстрированы на фото). Это обусловлено тем, что это вещество практически не подвержено коррозии, имеет высокую степень пластичности, инертности и дает возможность использовать чистый металл для производства. Немаловажную роль играют и такие качества, как высокое удельное сопротивление и значительный температурный коэффициент сопротивления.

Вывод

Большинство людей представляют себе платину как очень дорогой металл серебристо-белого цвета, который используется для изготовления ювелирных изделий. Однако благодаря своим многочисленным свойствам она получила широкое распространение в различных сферах деятельности человека, от медицины до автомобилестроения.

Хотя за всю историю эксплуатации платины она никогда не использовалась в качестве денег, инвестиции в платину считаются достаточно выгодным видом вложений. Одна унция этого металла превосходит в стоимости аналогичное количество золота на 270$. Если постоянно следить за курсом драгоценных металлов, то можно получить неплохую прибыль.