Производство и применение платины

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

В данной расчётно-графической работе представлена информация о платине, как химическом элементе, сырьё для получения и применения, технологии получения изделий из платины. Дана краткая характеристика платины и рассмотрена роль платины в промышленности и технике, в медицине и зубоврачебном деле, а также в ювелирных и др. сферах деятельности.

ВВЕДЕНИЕ

Платина - химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 78, атомная масса 195,08. Серовато-белый пластичный металл, температуры плавления и кипения - 1769°С и 3800°С. Платина - один из самых тяжелых (плотность 21,5 г/см3) и самых редких металлов: среднее содержание в земной коре 5·10-7 % по массе.

При комнатной температуре весьма инертна, при нагревании в атмосфере кислорода медленно окисляется с образованием летучих оксидов. В мелкораздробленном состоянии поглощает большие количества кислорода. Платина растворяется в жидком броме и в царской водке. При нагревании реагирует с другими галогенами, пероксидами, углеродом, серой, фосфором, кремнием. Платина разрушается при нагревании со щелочами в присутствии кислорода, поэтому в платиновой посуде нельзя плавить щелочи.

Платиновая чернь - мельчайший порошок платины с размером частиц 20-40 мкм (рисунок 1). Как и все мелкораздробленные металлы (даже золото), платиновая чернь имеет черный цвет. Каталитическая активность платиновой черни намного выше, чем у компактного металла.

В своих соединениях платина проявляет почти все степени окисления от 0 до +8. Но наиболее характерно для платины образование многочисленных комплексных соединений, которых известно много сотен. Многие из них носят имена изучавших их химиков (соли Косса, Магнуса, Пейроне, Цейзе, Чугаева и т.д.). Большой вклад в изучение таких соединений внес русский химик Л.А. Чугаев (1973-1922), первый директор созданного в 1918 Института по изучению платины.

Необычность поведения комплексов платины можно продемонстрировать на ряде соединений платины (IV), которые были получены и исследованы еще в 19 в. Так, соединение состава PtCl4·2NH3 в растворе практически не распадается на ионы: его водные растворы не проводят ток, а с нитратом серебра эти растворы не дают осадка. Соединение PtCl4·4NH3 дает растворы с высокой электропроводностью, которая указывает, что в воде оно распадается на три иона; соответственно, нитрат серебра осаждает из таких растворов только два атома хлора из четырех. В соединении PtCl4·6NH3 все четыре атома хлора осаждаются из водных растворов нитратом серебра; электропроводность растворов показывает, что соль распадается на пять ионов. Наконец, в комплексном хлориде состава PtCl4·2KCl, как и в первом соединении, нитрат серебра вовсе не осаждает хлор, однако растворы этого вещества проводят ток, причем электропроводность указывает на образование трех ионов, а обменные реакции обнаруживают ионы калия. Объясняются эти свойства разным строением комплексных соединений, в которых ионы хлора могут входить во внутреннюю или внешнюю сферу комплекса; при этом только ионы внешней сферы могут диссоциировать в водных растворах, например: [PtCl2(NH3)4]Cl2 ® [PtCl2(NH3)2]2+ + 2Cl-.

В 1827 датский химик Вильям Цейзе неожиданно для себя получил соединение платины, содержащее органическое вещество - этилен; впоследствии было установлено его строение: K[Pt(C2H4)Cl3]·H2O. В настоящее время изучено множество комплексных соединений платины с нитрилами RCN, аминами R3N, пиридином C5H5N, фосфинами R3P, сульфидами R2S, многими другими органическими соединениями. Некоторые из этих комплексов нашли практическое применение, например, для лечения злокачественных образований.

Рисунок 1 - Платиновая чернь

1. Технологическая цепь получения платины

Таблица 1 - Технологическая цепь получения платины

2. Сырьё для получения платины

Платиновые тигли используются, если необходимо провести реакцию при нагревании на воздухе (хотя их так же можно нагревать и в вакуумной печи). Если же хотят провести высокотемпературный синтез без доступа воздуха (или хотят "не упустить" газы, выделяющиеся в реакции) используют платиновые ампулы. В самом простом случае, это трубочка, заваренная с одного конца. Вещества помещают внутрь, второй конец ампулы сплющивают пассатижами и заваривают на кислородной горелке. После завершения синтеза, ампулу вскрывают и извлекают вещество. Фактически, она используется как одноразовая посуда, но, разумеется, платину затем можно очистить и снова сделать такую же ампулу.

Еще одно достаточно известное применение платины это материал для термопар. Точнее, она входит в состав платино-родиевого сплава, из которого делают проводники термопары. Вообще, типов термопар существует великое множество. Хромель-алюмелевые, медно-константановые, вольфрам-рениевые, нихром-никелевые и т.д. Но платино-платонородиевые больше всего подходят для использования в лабораторной практике, поскольку позволяют надежно измерять температуру на воздухе до значений в 1600 °C - 1700 °C.

Платиновые ампулы используют, когда необходимо провести синтез в замкнутом объеме, в атмосфере инертного газа или когда используются летучие вещества. Если надо провести синтез в потоке газа или наоборот, сжечь образец для проведения анализа.

Широко используются в электроконтактах и сплавы для радиотехники. На рисунке 2 показана одна из радиодеталей.

платина термопар промышленность посуда

Рисунок 2 - Радиодеталь из платины

Платина - лучший катализатор реакции окисления аммиака до окиси азота NO в одном из главных процессов производства азотной кислоты. Катализатор здесь предстает в виде сетки из платиновой проволоки диаметром 0,05...0,09 мм. В материал сеток введена добавка родия (5...10%). Используют и тройной сплав - 93% Pt, 3% Rh и 4% Pd. Добавка родия к платине повышает механическую прочность и увеличивает срок службы сетки, а палладий немного удешевляет катализатор и немного (на 1...2%) повышает его активность. Срок службы платиновых сеток - год-полтора. После этого старые сетки отправляют на аффинажный завод на регенерацию и устанавливают новые. Производство азотной кислоты потребляет значительные количества платины.

Платиновые катализаторы ускоряют многие другие практически важные реакции: гидрирование жиров, циклических и ароматических углеводородов, олефинов, альдегидов, ацетилена, кетонов, окисление SO2 в SO3 в сернокислотном производстве. Их используют также при синтезе витаминов и некоторых фармацевтических препаратов.

Не менее важны платиновые катализаторы в нефтеперерабатывающей промышленности. С их помощью на установках каталитического риформинга получают высокооктановый бензин, ароматические углеводороды и технический водород из бензиновых и лигроиновых фракций нефти. Здесь платину обычно используют в виде мелкодисперсного порошка, нанесенного па окись алюминия, керамику, глину, уголь. В этой отрасли работают и другие катализаторы (алюминий, молибден), но у платиновых - неоспоримые преимущества: большая активность и долговечность, высокая эффективность.

Аппаратура для получения многих особо чистых веществ и различных фторсодержащих соединений изнутри покрыта платиной, а иногда и целиком сделана из нее.

3. Описание технологии получения платины

Платина - элемент редкий и в природе находится в рассеянном состоянии. Самородная платина обычно представляет собой естественный сплав с другими благородными (палладий, иридий, родий, рутений, осмий) и неблагородными (железо, медь, никель, свинец, кремний) металла как это показано на рисунке 3. Такая платина (ее называют сырой или шлиховой) встречается в россыпях в виде тяжелых зерен размером от 0,1 до 5 мм. Содержание элементарной платины в этом природном сплаве колеблется от 65 до 90%. Более 95 % производства платиновых металлов осуществляется из сульфидных медно-никелевых руд.

С приисков сырая платина поступает на аффинажный завод. Метод выделения платины заключается в длительном нагревании сырой платины в фарфоровых котлах с царской водкой. При этом почти вся платина и палладий, частично родий, иридий, рутений и основная масса неблагородных металлов (железо, медь, свинец и другие) переходят в раствор.

Платина в растворе находится в виде H2[PtCl6] - большая часть. Добавляя в раствор HCl, вся платина превращается в комплекс H2[PtCl6]. Затем раствор «доводят», прогревая его с кислотами (серной или щавелевой) или с раствором сахара.

Операция доводки - процесс трудный и тонкий. При недостатке восстановителя (кислота, сахар) осаждаемый хлороплатинат будет загрязняться иридием, при избытке же сама платина восстановится до хорошо растворимых соединений Pt2+, и выход благородного металла понизится.

После операции доводки основная часть платины в виде мелких ярко-желтых кристаллов (NH4)2[PtCl6] выпадает в осадок. Основная же масса спутников платины и неблагородных примесей остается в растворе. Осадок дополнительно очищают раствором нашатыря и сушат. Сухой осадок помещают в печь. После нескольких часов прокаливания при 800...1000°C получают губчатую платину в виде спекшегося порошка серо-стального цвета. Полученную губку измельчают и промывают соляной кислотой и водой. Затем ее плавят в кислородно-водородном пламени или в высокочастотной печи. Так получают платиновые слитки.

Рисунок 3 - Самородная платина

4. Применение платины

Отсутствие платиновых руд и низкое содержание в них металла, отсутствие крупных месторождений и отсюда очень высокая стоимость металла в значительной степени ограничивают практическое применение платины.

Использование платины в промышленности и технике.

С первой четверти XIX века применялась в России в качестве легирующей добавки для производства высокопрочных сталей.

Платина применяется в ювелирном и зубоврачебном деле, а также в медицине. На рисунки 4 показано кольцо из платины с бриллиантом, что и свидетельствует использование платины в ювелирном деле.

Рисунок 4 - Кольцо из платины с бриллиантом

Изготовление миниатюрных магнитов огромной силы (сплав платина-кобальт, ПлК-78).

В нефтеперерабатывающей промышленности с помощью платиновых катализаторов на установках каталитического риформинга получают высокооктановый бензин, ароматические углеводороды и технический водород из бензиновых и лигроиновых фракций нефти.

Специальные зеркала для лазерной техники.

Чрезвычайно долговечные и стабильные электроконтакты и сплавы для радиотехники (ПлИ-10, ПлИ-20, ПлИ-30 (платина-иридий).

Перегонные реторты для производства плавиковой кислоты.

Электроды для получения перхлоратов, перборатов, перкарбонатов, пероксодвусерной кислоты (фактически на платине держится все мировое производство перекиси водорода: электролиз серной кислоты - пероксодвусерная кислота - гидролиз - отгонка перекиси водорода).

В автомобильной промышленности платину также используют каталитические свойства этого металла - для дожигания и обезвреживания выхлопных газов, с целью оснащения автомобилей специальными устройствами по очистке выхлопных газов от вредных примесей.

Нерастворимые аноды в гальванотехнике.

Анодные штанги для защиты от коррозии корпусов подводных лодок.

Нагревательные элементы печей сопротивления.

Использование платины в медицине. Незначительная часть платины идет в медицинскую промышленность. Из платины и ее сплавов изготовляют хирургические инструменты, которые, не окисляясь, стерилизуются в пламени спиртовой горелки. Некоторые соединения платины используют против различных опухолей.

Соединения платины (преимущественно, тетрахлорплатинаты) применяются, как цитостатики («цис-платина»). Однако в настоящее время имеются более эффективные противораковые лекарственные средства.

Использование платины в ювелирном деле. Большинство ювелирных изделий из платины содержат 95% чистого металла. В ней очень мало примесей, поэтому изделия из платины с течением времени не тускнеют, не утрачивают свой цвет и блеск.

Платина более долговечна по сравнению с другими драгоценными металлами благодаря своей плотности и весу. Как и на других металлах, на ней могут появляться царапины, но металл при этом только сместится, а не потеряется, как при царапании золота. Ювелир сможет отшлифовать изделие, и оно при этом не потеряет в весе.

Еще одно свойство - пластичность - позволяет ювелирам делать такие аксессуары из платиновой сетки, которые не могут быть выполнены из других драгоценных металлов.

Для ювелирных целей платину производят в виде гранул - так её удобнее взвешивать для изготовления сплава. Можно заметить, что в отличие от гранул золота, платиновые гранулы имеют неправильную форму и похожи на вытянутые капли. Возможно, из-за более высокой температуры плавления платины (почти на 700°C выше чем у золота), её капли затвердевают еще в полете, сразу после выливания металла из тигля, и не успевают принять шарообразную форму.

Монетарная функция металла. Платина, золото и серебро - основные металлы, выполняющие монетарную функцию. Однако платину стали использовать для изготовления монет на несколько тысячелетий позже золота и серебра.

Первые в мире платиновые монеты были выпущены и находились в обращении в Российской империи с 1828 по 1845 год. Чеканка началась с трехрублевиков. В 1829 г. «были учреждены платиновые дуплоны» (шестирублевики), а в 1830 г.- «квадрупли» (двенадцати - рублевики). Были отчеканены следующие номиналы монет: достоинством 3, 6 и 12 рублей. Трехрублевиков было отчеканено 1 371 691 шт., шестирубле-виков - 14 847 шт. и двенадцатирублевиков - 3474 шт. На рисунке 5 представлены монеты середины 19 в.

Рисунок 5 - Монеты из платины середины 19 в.

После 1846 года ни одна страна не позволяла себе «роскоши» вводить в обращение платиновые монеты. Выпускаемые разными странами в настоящее время платиновые монеты являются инвестиционными монетами.

Другие сферы применения платины. Известны платиновые зеркала, их получают путем нанесения тончайшего слоя платины на стеклянную поверхность. Платиновые зеркала устойчивы, не тускнеют, дают чистое изображение, а главное обладают замечательной особенностью - односторонней прозрачностью. Сущность явления состоит в том, что со стороны источника света зеркало непрозрачно и отражает находящиеся перед ним предметы, в то время как с теневой стороны оно прозрачно и через зеркало можно все видеть так же хорошо, как через чистое стекло.

Есть у платины и еще одно ценное свойство: она хорошо впаивается в стекло, что важно при изготовлении стеклянных приборов. Принцип действия таких термометров сопротивления основан на способности платины изменять (увеличивать) электрическое сопротивление в строгой зависимости от повышения температуры. Если платиновую проволочку подключить к прибору, регистрирующему изменение сопротивления, то изменение температуры будет точно фиксироваться этим прибором. Шкалу прибора градуируют в градусах.

Использование платины в химии. Платиновые тигли используются, если необходимо провести реакцию при нагревании на воздухе (хотя их так же можно нагревать и в вакуумной печи). Если же хотят провести высокотемпературный синтез без доступа воздуха (или хотят "не упустить" газы, выделяющиеся в реакции) используют платиновые ампулы. В самом простом случае, это трубочка, заваренная с одного конца. Вещества помещают внутрь, второй конец ампулы сплющивают пассатижами и заваривают на кислородной горелке. После завершения синтеза, ампулу вскрывают и извлекают вещество. Фактически, она используется как одноразовая посуда, но, разумеется, платину затем можно очистить и снова сделать такую же ампулу.

Еще одно достаточно известное применение платины это материал для термопар. Точнее, она входит в состав платинородиевого сплава, из которого делают проводники термопары. Вообще, типов термопар существует великое множество. Но платинородиевые больше всего подходят для использования в лабораторной практике, поскольку позволяют надежно измерять температуру на воздухе до значений в 1600 °C - 1700 °C.

Лабораторная посуда из платины.

Высокая химическая стойкость платины обеспечила ей широкое применение для изготовления лабораторной посуды (тигли, чашки, наконечники щипцов, насадки на горелки, электроды для анализа) и аппаратуры для химической, электронной и стекольной промышленности, в лабораториях горно-обогатительных комбинатов и на предприятиях, перерабатывающих цветные и благородные металлы. Платиновой посудой пользуются при особо точных и ответственных аналитических операциях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электронный ресурс: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/PLATINA

2. Электронный ресурс: http://protown.ru/information/hide/5595

Размещено на Allbest.ru