Благородный металл - Noble metal
В химии , благородные металлы являются металлическими элементами , которые показывают высокую стойкость к химическому воздействию , даже при высоких температурах. Они хорошо известны своими каталитическими свойствами и связанной с ними способностью облегчать или контролировать скорость химических реакций. Краткий список химически благородных металлов (тех элементов, с которыми согласны почти все химики ) включает рутений (Ru), родий (Rh), палладий (Pd), осмий (Os), иридий (Ir), платину (Pt), золото ( Au), серебро (Ag). С точки зрения периодической таблицы, можно провести аналогию между благородными металлами и благородными газами , которые в основном не реагируют.
Более исчерпывающие списки включают один или несколько из благородных металлов: медь (Cu), рений (Re) и ртуть (Hg).
Значение и история
Хотя списки благородных металлов могут отличаться, они, как правило, группируются вокруг шести металлов платиновой группы - рутения, родия, палладия, осмия, иридия и платины.
Помимо функции этого термина как составного существительного , существуют обстоятельства, в которых благородный используется как прилагательное к существительному металлу . Гальваническая серия представляет собой иерархию металлов (или других электропроводных материалов, в то числе композитных материалов и полуметаллов ) , которая проходит от благородного к активному, и позволяет предсказать , как материалы будут взаимодействовать в среде , используемой для создания серии. В этом смысле слова графит более благороден, чем серебро, и относительное благородство многих материалов сильно зависит от контекста, например, алюминия и нержавеющей стали в условиях переменного pH .
Термин благородный металл восходит к концу 14 века и имеет несколько разные значения в разных областях исследования и применения.
До публикации Менделеевым в 1869 году первой (в конечном итоге) широко принятой периодической таблицы, Одлинг опубликовал в 1864 году таблицу, в которой «благородные металлы» родий, рутений, палладий; а платина, иридий и осмий были сгруппированы вместе и соседствовали с серебром и золотом.
- Самородная медь с полуострова Кивино , штат Мичиган, около 2,5 дюймов (6,4 см) в длину.
- Золотой самородок из Австралии , ранний 9000 г или 64 унции
- Ртуть наливают в чашку Петри
Характеристики
Геохимический
Благородные металлы - сидерофилы (любители железа). Они имеют тенденцию погружаться в ядро Земли, потому что легко растворяются в железе либо в виде твердых растворов, либо в расплавленном состоянии. Большинство сидерофильных элементов практически не имеют сродства к кислороду: действительно, оксиды золота термодинамически нестабильны по отношению к элементам.
Медь, серебро, золото и шесть металлов платиновой группы - единственные самородные металлы, которые встречаются в природе в относительно больших количествах.
Устойчивость к коррозии
Медь растворяется азотной кислотой и водным цианидом калия .
Рутений можно растворить в царской водке , высококонцентрированной смеси соляной и азотной кислот , только в присутствии кислорода, в то время как родий должен находиться в тонко измельченной форме. Палладий и серебро растворимы в азотной кислоте , при этом растворимость серебра ограничивается образованием осадка хлорида серебра .
Рений вступает в реакцию с окисляющими кислотами и перекисью водорода и, как говорят, тускнеет из-за влажного воздуха. Осмий и иридий химически инертны в условиях окружающей среды. Платину и золото можно растворить в царской водке. Ртуть реагирует с окисляющими кислотами.
В 2010 году исследователи из США обнаружили, что органическая «царская водка» в форме смеси тионилхлорида SOCl 2 и органического растворителя пиридина C 5 H 5 N обеспечивает «высокие скорости растворения благородных металлов в мягких условиях с дополнительным преимуществом. настройки на конкретный металл, например, на золото, но не на палладий или платину.
Электронный
В физике выражение «благородный металл» иногда ограничивается медью, серебром и золотом, поскольку их полные d-подоболочки вносят вклад в их благородный характер. Напротив, другие благородные металлы, особенно металлы платиновой группы, имеют заметное каталитическое применение благодаря их частично заполненным d-подоболочкам. Так обстоит дело с палладием, который имеет полную d-подоболочку в атомарном состоянии, но в конденсированной форме имеет частично заполненную sp-зону за счет заполнения d-зоны.
Разницу в реакционной способности можно увидеть во время подготовки чистых металлических поверхностей в сверхвысоком вакууме : поверхности из «физически определенных» благородных металлов (например, золота) легко чистить и поддерживать в чистоте в течение длительного времени, в то время как поверхности из платины или палладий, например, очень быстро покрываются оксидом углерода .
Электрохимический
Стандартные потенциалы восстановления в водном растворе также являются полезным способом прогнозирования неводного химического состава задействованных металлов. Таким образом, металлы с высоким отрицательным потенциалом, такие как натрий или калий, воспламеняются на воздухе, образуя соответствующие оксиды. Эти пожары нельзя потушить с помощью воды, которая также реагирует с соответствующими металлами с образованием водорода, который сам по себе является взрывоопасным. Благородные металлы, напротив, не склонны вступать в реакцию с кислородом, и по этой причине (а также из-за их нехватки) тысячелетиями ценились и использовались в ювелирных изделиях и монетах.
Элемент | Z | грамм | п | Реакция | SRP (V) | EN | EA |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Золото ✣ | 79 | 11 | 6 |
Au3+ + 3 e - → Au |
1.5 | 2,54 | 223 |
Платина ✣ | 78 | 10 | 6 |
Pt2+ + 2 e - → Pt |
1.2 | 2,28 | 205 |
Иридий ✣ | 77 | 9 | 6 |
Ir3+ + 3 е - → Ir |
1,16 | 2.2 | 151 |
Палладий ✣ | 46 | 10 | 5 |
Pd2+ + 2 e - → Pd |
0,915 | 2.2 | 54 |
Осмий ✣ | 76 | 8 | 6 |
OsO 2+ 4 часа+ + 4 е - → Os + 2 H 2О |
0,85 | 2.2 | 104 |
Меркурий | 80 | 12 | 6 |
Hg2+ + 2 e - → Hg |
0,85 | 2.0 | −50 |
Родий ✣ | 45 | 9 | 5 |
Rh3+ + 3 e - → Rh |
0,8 | 2,28 | 110 |
Серебро ✣ | 47 | 11 | 5 |
Ag+ + е - → Ag |
0,7993 | 1,93 | 126 |
Рутений ✣ | 44 год | 8 | 5 |
RU3+ + 3 e - → Ru |
0,6 | 2.2 | 101 |
Теллур MD | 52 | 16 | 5 |
TeO 2+ 4 часа+ + 4 e - → Te + 2 H 2О |
0,53 | 2.1 | 190 |
Рений | 75 | 7 | 6 |
Re3+ + 3 e - → Re |
0,5 | 1.9 | 6 |
Воды |
ЧАС 2O + 4 e - + O 2→ 4 ОН - |
0,4 | |||||
Медь | 29 | 11 | 4 |
Cu2+ + 2 e - → Cu |
0,339 | 2.0 | 119 |
Висмут | 83 | 15 | 6 |
Би3+ + 3 e - → Bi |
0,308 | 2,02 | 91 |
Мышьяк MD | 33 | 15 | 4 |
В качестве 4О 6+ 12 часов+ + 12 e - → 4 As + 6 H 2О |
0,24 | 2,18 | 78 |
Сурьма МД | 51 | 15 | 5 |
Sb 2О 3+ 6 часов+ +-Е - → 2 Sb + 3 Н 2О |
0,147 | 2,05 | 101 |
Атомный номер Z ; Группа G ; Период P ; Стандартный восстановительный потенциал SRP ; Электроотрицательность ; EA сродство к электрону |
В соседней таблице приведен стандартный понижающий потенциал в вольтах; электроотрицательность (переработка Полинга); и значения сродства к электрону (кДж / моль) для некоторых металлов и металлоидов. Металлы, обычно относящиеся к благородным металлам, помечены символом; а металлоиды обозначены MD .
Упрощенные записи в столбце реакции можно подробно прочитать из диаграмм Пурбе для рассматриваемого элемента в воде. Благородные металлы обладают большим положительным потенциалом; элементы, не указанные в этой таблице, имеют отрицательный стандартный потенциал или не являются металлами.
Электроотрицательность включена, поскольку считается «основным фактором благородства металлов и их реакционной способности».
Из-за их высокого значения сродства к электрону включение в процесс электрохимического фотолиза благородных металлов , таких как платина и золото, среди прочих, может повысить фотоактивность.
Мышьяк, сурьма и теллур считаются металлоидами, а не благородными металлами.
Черный налет, обычно наблюдаемый на серебре, возникает из-за его чувствительности к сероводороду : 2Ag + H 2 S +1/2O 2 → Ag 2 S + H 2 O. Рейнер-Кэнхэм утверждает, что «серебро настолько химически реактивно и имеет такой другой химический состав, что его не следует рассматривать как« благородный металл »». В стоматологии серебро не считается благородным металлом из-за его склонности к коррозии в полости рта.
Актуальность статьи для воды рассматривается Li et al. в контексте гальванической коррозии. Такой процесс будет происходить только тогда, когда:
- «(1) два металла с разными электрохимическими потенциалами ... связаны, (2) существует водная фаза с электролитом, и (3) один из двух металлов имеет ... потенциал ниже, чем потенциал реакции ( H
2O + 4e + O
2= 4 OH • ), что составляет 0,4 В ... Металл с ... потенциалом менее 0,4 В действует как анод ... теряет электроны ... и растворяется в водной среде. Благородный металл (с более высоким электрохимическим потенциалом) действует как катод, и при многих условиях реакция на этом электроде обычно H
2O - 4 e • - O
2= 4 OH • ) ".
Ожидается, что сверхтяжелые элементы от хассия (элемент 108) до ливермория (116) включительно будут «частично очень благородными металлами»; химические исследования хасия установили, что он ведет себя как его более легкий родственный осмий, а предварительные исследования нихония и флеровия предположили, но не окончательно установили благородное поведение. Поведение Copernicium отчасти напоминает его более легкий родственный ртуть и благородный газ радон .
Оксиды
Элемент | я | II | III | IV | VI | VII | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Медь | 1326 | ||||||
Рутений | d1300 d75 + |
||||||
Родий | d1100 ? |
||||||
Палладий | d750 | ||||||
Серебряный | d200 | ||||||
Рений | 360 | ||||||
Осмий | d500 | ||||||
Иридий | d1100 ? |
||||||
Платина | 450 d100 |
||||||
Золото | d150 | ||||||
Меркурий | d500 | ||||||
Стронций ‡ | 2430 | ||||||
Молибден ‡ | 801 d70 |
||||||
Сурьма МД | 655 | ||||||
Лантан‡ | 2320 | ||||||
Висмут ‡ | 817 | ||||||
d = разлагается; если есть две цифр, 2 - й для гидратированной формы; ‡ = неблагородный металл; MD = металлоид |
Еще в 1890 году Хайорнс заметил следующее:
- « Благородные металлы. Золото, платина, серебро и несколько редких металлов. Члены этого класса практически не имеют тенденции к соединению с кислородом в свободном состоянии, и когда их помещают в воду, нагретую до красного каления, они не изменяют его состав. Оксиды легко разлагаются под действием тепла из-за слабого сродства между металлом и кислородом ».
Смит в 1946 году продолжил эту тему:
- «Не существует резкой границы [между« благородными металлами »и« неблагородными металлами »], но, возможно, лучшее определение благородного металла - это металл, оксид которого легко разлагается при температуре ниже красного каления».
- «Из этого следует, что благородные металлы ... мало притягивают кислород и, следовательно, не окисляются и не меняют цвет при умеренных температурах».
Такое благородство в основном связано с относительно высокими значениями электроотрицательности благородных металлов, что приводит к только слабополярным ковалентным связям с кислородом. В таблице приведены температуры плавления оксидов благородных металлов и некоторых из неблагородных металлов для элементов в их наиболее стабильных степенях окисления.
Смотрите также
Примечания
использованная литература
дальнейшее чтение
- Balshaw L 2020, « Благородные металлы, растворенные без царской водки », Chemistry World, 1 сентября
- Beamish FE 2012, Аналитическая химия благородных металлов, Elsevier Science, Burlington
- Brasser R, Mojzsis SJ 2017, "Колоссальный удар обогатил мантию Марса благородными металлами", Geophys. Res. Lett., Vol. . 44, стр 5978-5985, DOI : 10.1002 / 2017GL074002
- Брукс Р.Р. (редактор) 1992, Благородные металлы и биологические системы: их роль в медицине, разведке полезных ископаемых и окружающей среде, CRC Press, Boca Raton
- Brubaker PE, Moran JP, Bridbord K, Hueter FG 1975, "Благородные металлы: токсикологическая оценка потенциальных новых загрязнителей окружающей среды", Environmental Health Perspectives, vol. . 10, стр 39-56, DOI : 10,1289 / ehp.751039
- Du R et al. 2019, « Новые аэрогели из благородных металлов: современное состояние и перспективы », Matter, vol. 1. С. 39–56.
- Hämäläinen J, Ritala M, Leskelä M 2013, "Атомное послойное осаждение благородных металлов и их оксидов", Chemistry of Materials, vol. 26, вып. 1, стр 786-801,. DOI : 10.1021 / cm402221
- Кепп К 2020, «Химические причины благородства металлов», ChemPhysChem, vol. 21 нет. 5. С. 360-369,. DOI : 10.1002 / cphc.202000013
- Лал Х., Бхагат С.Н. 1985, "Градация металлического характера благородных металлов на основе термоэлектрических свойств", Индийский журнал чистой и прикладной физики, вып. 23, нет. 11. С. 551–554.
- Lyon SB 2010, «3.21 - Коррозия благородных металлов», в B Cottis et al. (ред.), Shreir по коррозии, Elsevier, С. 2205-2223,. DOI : 10.1016 / B978-044452787-5.00109-8
- Медичи С., Пеана М.Ф., Зородду М.А. 2018, «Благородные металлы в фармацевтике: применения и ограничения», в М. Рай М., Ингл, С. Медичи (ред.), Биомедицинские применения металлов, Springer, doi : 10.1007 / 978-3- 319-74814-6_1
- Pan S et al. 2019, «Благородно-благородный сильный союз: золото в лучшем виде, чтобы создать связь с атомом благородного газа», ChemistryOpen, vol. 8, стр. 173, DOI : 10.1002 / open.201800257
- Рассел А. 1931, "Простое осаждение химически активных металлов на благородные металлы", Nature, vol. . 127, стр 273-274, DOI : 10.1038 / 127273b0
- Сент-Джон Дж. И др. 1984, Благородные металлы, Time-Life Books, Александрия, Вирджиния
- Ван Н 2017 " глава 9 - благородные металлы", в LY Jiang, N - Ли (ред . ), Мембранные основе разделения в металлургии, . Elsevier, С. 249-272, DOI : 10.1016 / B978-0-12-803410- 1,00009-8
внешние ссылки
- Благородный металл - Британская энциклопедия химии , онлайн-издание