Pierwiastkowy high life
Pomijając nietrwałe, promieniotwórcze pierwiastki oraz te, dla których technika nie znalazła jeszcze szerszych zastosowań, platynowce są metalami otrzymywanymi w najmniejszych ilościach. Dla porównania: złoto z roczną produkcją wynoszącą około 3 tys. ton kilkakrotnie przewyższa wydobycie ich wszystkich razem wziętych. Platynowce są najszlachetniejszymi metalami i do tego w większości droższymi od złota, w artykule przyjrzysz się zatem pierwiastkowemu "wielkiemu światu". W domowym laboratorium nie wykonasz z nimi doświadczeń z powodu braku dostępnych surowców (poświęcenie biżuterii lub samochodowego katalizatora z oczywistych względów nie wchodzi w rachubę), ale znajomość historii i współczesności platynowców jest niezbędna w wykształceniu chemika.
Platynowców portret zbiorowy
Chemiczna tradycja złączyła pierwiastki z grup 8, 9 i 10 w poziome rzędy - triady. Pierwszą z nich, żelazowce (żelazo, kobalt i nikiel), poznałeś w artykułach z roku 2021. Pod nimi leżą platynowce lekkie (ruten, rod i pallad) o gęstościach wynoszących około 12 g/cm3, a jeszcze niżej platynowce ciężkie (osm, iryd i platyna). Te ostatnie mają największe gęstości wśród metali: dla osmu i irydu przekraczają one 22 g/cm3 (trwają spory, który z nich ma największą koncentrację masy), w przypadku platyny jest to około 21,5 g/cm3 (1). Platynowce są również trudno topliwe: osm topi się dopiero w ponad 3000°C (z tego powodu był stosowany jako drucik żarowy w żarówkach, ale wyparł go tańszy i bardziej dostępny wolfram), a najłatwiej topliwy pallad w ponad 1500°C. Wygląd platynowców nie odbiega od wizerunku innych metali: srebrzystoszare (jedynie osm ma niebieskawy odcień), do tego bardzo twarde (2).
Pozostałe platynowce wyglądają podobnie
Pod względem chemicznym platynowce należą do najbardziej odpornych metali, na niektóre z nich nie działa nawet woda królewska (mieszanina kwasów azotowego i solnego), która bez trudu roztwarza złoto. Na powietrzu nie ulegają zmianie (nie korodują), ale oczywiście i na nie chemicy znaleźli sposoby, a związki platynowców są liczne.
Chemicy w XIX wieku zauważyli, że żelazowce i platynowce wykazują duże podobieństwo właściwości w rzędach, czyli wspomnianych triadach. Nie oznacza to, że pierwiastki te nie podlegają prawu okresowości - podobieństwa grupowe są również wyraźne. Ruten i osm osiągają najwyższą wartościowość wśród metali - VIII, żelazo z tej samej grupy jest maksymalnie VI-wartościowe. Rod i iryd, podobnie do kobaltu, tworzą wielobarwne związki, natomiast nikiel, pallad i platyna to doskonałe katalizatory reakcji z wodorem.
Gdzie ich szukać…
Niestety, tylko w nielicznych miejscach na Ziemi. Podobnie jak złoto, występują praktycznie tylko w postaci wolnej, jako platyna rodzima - naturalny stop, oprócz platyny zawierający 10% żelaza i około 2% pozostałych platynowców. Stanowią one również domieszki w rudach miedzi i niklu, skąd są otrzymywane podczas przeróbki szlamów anodowych, czyli pozostałości po elektrolitycznym oczyszczaniu tych metali. Ze względu na podobieństwo właściwości oraz małą reaktywność rozdzielenie platynowców stanowi jeden z najtrudniejszych do przeprowadzenia procesów chemicznych, którego przebieg, dostosowany do składu surowca, jest ściśle chronioną tajemnicą producentów.
Pod względem rozpowszechnienia w powierzchniowej warstwie Ziemi platynowce mieszczą się w ósmej dziesiątce pierwiastków, prawie na samym końcu listy (mniej jest właściwie tylko gazów szlachetnych, oprócz argonu). Łączna ich zawartość sięga kilku milionowych części procenta - więcej niż jest złota i mniej od srebra. W zależności od źródeł, najpospolitszym platynowcem jest pallad lub ruten (niełatwo oszacować tak małe wielkości), a najrzadszymi - iryd i rod.
Z platynowców najwięcej otrzymuje się palladu (210 ton w roku 2022) i platyny (190 ton), produkcja pozostałych jest znacznie mniejsza, rzędu ton. Poza konkurencją pozostaje Republika Południowej Afryki (łącznie 220 ton palladu i platyny), ponad 100 ton dostarcza Rosja, z pozostałych krajów liczą się Zimbabwe i Kanada (przeróbka rud niklu). Jak więc widzisz, zasoby są rozłożone nader nierówno (przede wszystkim południe Afryki). Znaczny udział ma również recykling zużytych katalizatorów.
Ceny platynowców wahają się w zależności od zapotrzebowania i giełdowych zawirowań (powodowanych głównie niestabilną sytuacją w krajach producentów), ale są one niezmiennie bardzo drogimi metalami. Najkosztowniejszy z nich to rod, za który trzeba zapłacić nawet kilkanaście razy więcej niż za złoto, cena kilku innych również jest wyższa niż "króla metali".
(siatkowa struktura zwiększa powierzchnię kontaktu spalin z katalizatorem
i poprawia sprawność urządzenia)
…i do czego są potrzebne?
Przede wszystkim do wytwarzania katalizatorów dla przemysłu chemicznego i petrochemii (w tych działach gospodarki są niezastąpione), a także samochodowych dopalaczy spalin (3). Najwięcej zastosowań ma platyna, z czystego metalu i jej stopów wyrabia się biżuterię, sprzęt laboratoryjny odporny na agresywne chemikalia, elektrody, termoogniwa, elementy grzewcze pracujące w bardzo wysokich temperaturach, korzystają z niej też dentyści. Szczególnie dużą aktywność katalityczną ma czerń platynowa (bardzo rozdrobniony metal), który przy dostępie powietrza samoczynnie rozżarza się w kontakcie z palnym gazem, co zastosowano np. do konstrukcji zapalniczek i podręcznych ogrzewaczy (4).
Twardość i odporność chemiczną platynowców wykorzystuje się do produkcji stopów używanych jednak tylko do specjalnych zastosowań (wiadomo, cena) jak elementy precyzyjnej aparatury, styki elektryczne, a dawniej igły gramofonowe i końcówki stalówek (5). Bardzo cienkie powłoki z rodu chronią przedmioty srebrne przed ciemnieniem. Warto również wspomnieć, że ze stopu platyny z irydem wykonane były międzynarodowe wzorce metra i kilograma, zanim nie zastąpiły ich jednostki oparte na wielkościach atomowych. Związki platyny należą także do najsilniejszych leków antynowotworowych.
Historia platynowców…
…w Europie zaczęła się w połowie XVIII wieku. Wtedy to uczeni badający tereny Ameryki Południowej donieśli o nieznanym w Starym Świecie metalu z wyglądu podobnym do srebra. Początkowo nie spotkał się on z zainteresowaniem, czego dowodem jest nazwa - platyna to z hiszpańskiego "sreberko" (zdrobnienie z lekceważącym odcieniem znaczeniowym). Co ciekawe, platyny, metalu obecnie znacznie droższego od złota, początkowo używano do fałszowania złotych monet i, aby zapobiec owemu procederowi, niszczono jej zapasy. Odkrycie dużych złóż na Uralu i poznanie unikatowych właściwości platyny spowodowało, że już w połowie XIX wieku "sreberko" zaliczono do grona najbardziej cenionych metali.
W początkach wieku XIX dokładnie zbadano rodzimą platynę. W latach 1803–1804 brytyjscy chemicy potraktowali ją wodą królewską i analizowali dwie frakcje. Częścią rozpuszczalną w wodzie zajął się William Wollaston, który w roztworze stwierdził obecność dwóch nieznanych pierwiastków. Był to pallad (nazwa pochodzi od planetoidy Pallas odkrytej rok wcześniej) i rod (z gr. rhodon = róża, od koloru jego związków). Smithson Tennant z kolei badał pozostały osad. I on również znalazł dwa nowe pierwiastki: osm (z gr. osme = zapach, od charakterystycznej woni metalu, a właściwie powstającego na powierzchni lotnego czterotlenku OsO4) oraz iryd (z gr. iris = tęcza, od wielobarwnych związków, które tworzy).
W historii najpóźniej odkrytego platynowca jest polski wątek. W roku 1807 Jędrzej Śniadecki, twórca naszego nazewnictwa chemicznego, doniósł o istnieniu jeszcze jednego metalu w surowej platynie i nadał mu nazwę west (od planetoidy Westy, panowała wtedy "moda" na nazywanie pierwiastków imionami ciał niebieskich, do wspomnianego palladu można dodać jeszcze cer od planetoidy Ceres). Uczeni z Akademii Paryskiej, największego ówcześnie autorytetu w świecie nauki, nie potwierdzili jednak odkrycia, a sam Śniadecki pogodził się z werdyktem. Brakujący platynowiec ostatecznie odkrył Karl Claus pracujący w rosyjskim uniwersytecie w Kazaniu w roku 1844, choć korzystał z wcześniejszych prac Gottfrieda Osanna z uniwersytetu w Tartu (obecna Estonia). Nazwa ruten pochodzi od łacińskiej nazwy Rosji - Ruthenia (zaproponował ją Osann).
W końcu XX wieku pojawiła się jeszcze jedna triada liczbach atomowych 108–110 nazwana superplatynowcami. Ponieważ ich otrzymanie to zasługa niemieckich fizyków z Instytut Badań Ciężkich Jonów w Darmstadt (zespołem kierowali Peter Armbruster i Gottfried Münzenberg), oni też uzyskali prawo nadania nazw. I tak pierwiastek o liczbie atomowej 108 to has (od Hesji, na terenie której leży instytut), kolejny - meitner (Lise Meitner, austriacka fizyczka jądrowa), a ostatni - darmsztadt. Ponieważ są to bardzo krótko żyjące, sztucznie otrzymane pierwiastki (i to w liczbie zaledwie pojedynczych atomów), o ich własnościach nie można jeszcze wiele powiedzieć.
Dwie ciekawostki
Iryd jest jednym z charakterystycznych metali występujących w meteorytach. Odkrycie warstw skalnych sprzed 65 milionów lat zawierających podwyższony poziom tego pierwiastka dowodzi, zdaniem uczonych, że w tym czasie Ziemia została trafiona przez obiekt kosmiczny o średnicy około 10 km. Wydarzenie to spowodowało zagładę dinozaurów, zakończyło epokę kredową i umożliwiło ewolucję ssaków (6).
jako pierwszy stwierdził, że upadek gigantycznego meteorytu spowodował
wymieranie kredowe. Widoczna w skale warstwa, w której wykryto podwyższony
poziom irydu, stanowi granicę pomiędzy epoką kredową i paleogenem
Pallad ma zdolność do pochłaniania wodoru niespotykaną wśród innych metali: potrafi wchłonąć objętość tego gazu kilkaset razy większą od własnej, tworząc tzw. gąbkę wodorową. Wodór zaabsorbowany w palladzie znajduje się nie w postaci cząsteczkowej, lecz pojedynczych atomów (in statu nascendi, jak zjawisko to określają chemicy), co powoduje jego zwiększoną reaktywność.
Platynowce zdecydowanie nie służą tylko do wyrobu ozdób. Bez nich załamałby się prawie cały współczesny przemysł chemiczny (katalizatory) (7). Wiążą się z nimi również meandry światowej polityki - większość złóż leży w zapalnych rejonach naszego globu, państwa gromadzą więc ich zapasy. Światowa produkcja innych pierwiastków sięga setek tysięcy i milionów ton, zaś wytworzone w ciągu roku platynowce można załadować do pociągu towarowego. Jednak nie od dziś wiadomo, że często to, co jest na pierwszy rzut oka mało istotne, okazuje się bardzo ważne.
Krzysztof Orliński
