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铂族元素简介

http://www.kq81.com 时间:2015/11/24 9:32:16 来源:本站原创 点击次数:670

  铂族金属包括铂(Pt)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)、钌(Ru)、铑(Rh)六种金属。

  铂族金属以其特别可贵的性能和资源珍稀而著称;与金、银合称“贵金属”。但其发现与利用相对于金、银来说要晚得多。金、银饰品在人类纪元之前的墓葬中就有发现,而人类对铂族金属的了解和利用,不过两百多年的历史。其中铂发现最早,1735年由尤尔洛(A.De.Ulloa)发现,其余几种元素都迟至19世纪才陆续有所了解,如钯是1804年由沃拉斯顿(W.H.Wollaston)发现,钌是1845年科劳斯(K.Claus)发现。虽然发现较晚,但很快了解到它们有一些可贵的功能,因而被广泛应用于现代工业和尖端技术中。因此被称为“现代贵金属”。据报道,从公元前4000年到19世纪末,全球累计产金2.9万t,19世纪世界平均年产金123t;到1973~1980年,世界平均年产金量达1375t。铂族金属的世界产量从1969年开始超过100t,80年代末便翻了一番,达到200t,90年代初年产近300t。从这些数据不难体会出“贵金属”与“现代贵金属”深层的涵义:二者都是珍稀而贵重,而铂族元素虽然绝对数量比不上金、银,但其发展的速度深刻体现出“现代”的涵义。

  一、矿物原料特点

  铂族金属既具有相似的物理化学性质,又有各自的特性。它们的共同特性是:除了锇和钌为钢灰色外,其余均为银白色;熔点高、强度大、电热性稳定、抗电火花蚀耗性高、抗腐蚀性优良、高温抗氧化性能强、催化活性良好。各自的特性又决定了不同的用途。例如铂还有良好的塑性和稳定的电阻与电阻温度系数,可锻造成铂丝、铂箔等;它不与氧直接化合,不被酸、碱侵蚀,只溶于热的王水中;钯可溶于浓硝酸,室温下能吸收其体积350~850倍的氢气。铑和铱不溶于王水,能与熔融氢氧化钠和过氧化钠反应,生成溶解于酸的化合物;锇与钌不溶于王水,却易氧化成四氧化物。

  目前已发现200余种铂族元素矿物。可分为4大类:①自然金属:自然铂、自然钯、自然铑、自然锇等;②金属互化物:钯铂矿、锇铱矿、钌锇铱矿,以及铂族金属与铁、镍、铜、金、银、铅、锡等以金属键结合的金属互化物;③半金属互化物:铂、钯、铱、锇等与铋、碲、硒、锑等以金属键或具有相当金属键成分的共价键型化合物;④硫化物与砷化物。工业矿物主要有砷铂矿、自然铂、等轴铋碲钯矿、碲钯矿、砷铂锇矿、碲钯铱矿及铋碲钯镍矿。砷铂矿和等轴铋碲钯矿多见于原生铂矿床,自然铂多产于砂铂矿。

  铂族金属矿物在矿石中的含量一般甚微,以每吨几克(g/t)计,矿物颗粒小,六个元素在不同的矿床中含量各异。如南非的布什维尔德杂岩中铂是主要元素,以铂为100的话,钯为40,钌为10,铑为6,铱为1,锇不及1。俄罗斯的诺里尔斯克则以钯为主(是铂的3倍)。加拿大的萨德伯里矿石中铂、钯比率接近。

  铂族金属在矿石中常以有色金属的硫化物、砷化物和硫砷化物为其主要的载体矿物,特别是自然金、自然银、黄铜矿、磁黄铁矿、镍黄铁矿、辉砷镍矿与斑铜矿等,如在自然金中铂可达600 g/t,钯达1000 g/t;黄铜矿中的含钯量是磁黄铁矿中的100倍。

  二、用途与技术经济指标

  铂族金属早期主要用作首饰,本世纪50年代后开始大量应用于石油、汽车、电子、化工、原子能,以至环境保护行业。它们在这些工业中用量不大,但起着关键的作用,故素有“工业维生素”之称。

  铂的用途最广,可单独或与其他铂族金属联合使用。铂可作制造硝酸与氨的催化剂,生产高质量的航空汽油;电器与电子工业上的接触点和铂铑合金热电偶、铂铱火花塞电极;玻璃工业上用作铂坩埚;国防工业上可制造导弹发射燃料——过氧化氢的催化剂与宇宙飞行器的燃料电池电极等。钯主要作低电流的接触点和化工中的催化剂;钯合金管可作提纯氢气用的扩散设备。铑对可见光谱的反射率高,故可用作反射镜面;铱、锇、钌作为铂和钯的添加剂,提高它们的硬度、抗拉强度、耐蚀性和熔点。铱的耐磨性使之可用作钢笔的笔尖。

  目前铂族元素用得最多的是触媒剂和汽车工业,1996年全球消耗的143t铂族金属中这两大用户分别占消耗量的35.8%和28%。用于汽车尾气净化催化剂的贵金属用量增长很快。目前全球每年生产蜂窝状催化剂5 000多万个,每个需用铂族金属1.2g。1993年仅此一项就花去铂53t、钯22t、铑11t,总共86t,占当年铂、钯工业用量的50%,铑用量的90%。近年来正在研究改用较便宜的含钯催化剂代替铂-钯-铑三元催化剂。

  三、矿业简史

  1778年哥伦比亚发现砂铂矿,并开始采掘。1817年俄罗斯发现乌拉尔彼尔姆砂铂矿并予以利用。南非1908年开始开采原生铂矿。从19世纪后期到20世纪50年代后,美国、澳大利亚、日本、芬兰、新西兰,以及一大批发展中国家(如中国、缅甸、巴西、智利、埃塞俄比亚、塞拉利昂、刚果?金、赞比亚)先后发现铂矿,但从储量到产量,仍一直由俄罗斯、南非与加拿大三国执世界之牛耳。

  早期以开采砂矿为主,主要是哥伦比亚与俄国。到19世纪后期,加拿大发现大型原生矿。本世纪20年代南非发现布什维尔德矿床,使原生铂开始取代砂矿。随后原苏联在60年代发现了诺里尔斯克铂矿,美国发现斯蒂尔沃特铂矿,使原生铂矿完全取而代之。

  我国是铂族金属稀缺的国家之一。50年代前只有个别小型砂铂矿,1959年发现金川含铂铜镍矿,1966年镍电解车间投产,铂族金属的生产与利用才有了转机。70年代相继发现了一些小矿体,开始利用低品位的含铂贫矿,也从多金属矿石与斑岩铜矿石的冶炼过程中回收一些铂族金属;并对铂矿进行了较多的地质地球化学研究,但找矿勘探方面始终未有大的突破;相反,随着经济的发展,铂族金属的供需矛盾日趋尖锐,靠进口弥补不足。

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