Платина: свойства и применение

Вещества, существующие в природе — практически неисчерпаемая тема для рассказов. Тем более что не все из них одинаково хорошо известны. Обязательно нужно выяснить хотя бы для общего развития основные связанные с платиной моменты, ее свойства и особенности применения.

Окончившие школу несколько десятилетий назад уверенно сказали бы, что платина — это металл побочной подгруппы 8-й группы Периодической системы элементов Менделеева. Однако такая классификация устарела, и сейчас платину относят к 10-й группе элементов.

Сказать, как этот металл выглядит в природе, нельзя. Ведь в чистом виде его можно только получить искусственно. Платиновые руды имеют только небольшие вкрапления основного вещества. Они с физической точки зрения являются изоморфными смесями Pt с:

• медью;
• железом;
• никелем;
• серебром;
• различными металлами платиновой группы.

Платиновые руды везде находятся в рассеянном состоянии. Основная их часть сосредоточена в Новом Свете. Потому честь открытия платины принадлежит древним индейцам. Когда именно они начали добывать этот металл, не знают даже специалисты. Но после открытия платины европейцами ее роль в экономике оказалась скорее негативна.

Недаром в 1735 году в Испании решили запретить ввоз ранее добытой платины в метрополию. То, что вновь добывали в Колумбии, распорядились тщательнейшим образом отделять от серебра и затапливать в реках. А все, что успели раньше ввезти в саму Испанию, в торжественной обстановке утопили в море.

Но любопытно, что не прошло и полвека, как Мадрид, наоборот, взял курс на усиленный ввоз платинового сырья. Тогда его начали в государственных масштабах использовать для фальсификации монет из других драгметаллов. К 1820 году, по разным данным, в Европе оказалось от 3 до 7 тонн платины. Именно из нее во Франции изготовили эталоны метра и килограмма. Но какого-либо серьезного применения она все равно долго не имела.

Удельный вес чистой платины составляет 21,45 г на 1 куб. см. Плавится она при температуре около 1768 градусов Цельсия. Кипение (испарение) происходит при 3825 градусах. Именно такие температурные характеристики долгое время не позволили не выделить чистый металл, ни тем более наладить его использование. К тому же платина тверже золота и серебра, механически обрабатывать ее довольно трудно.

Этот металл ковок и пластичен. Его прочность на разрыв весьма внушительна.

Она растворяется только в:

• царской водке;
• жидком броме;
• разогретой серной кислоте (но крайне медленно).

Потому подносить его к магниту для отделения от серебра или золота не имеет смысла. Нужно лишь понимать, что чисто платиновых украшений не бывает. Они могут содержать различные концентрации железа и никеля, и как раз эти примеси вполне реагируют на магнит.

Любопытно, что в микромире у платины вполне могут быть магнитные свойства. Физикам в эксперименте удалось обнаружить их у атомарного слоя металла; об открытии объявили в 2018 году. Для придания веществу ферромагнитных свойств пришлось использовать ионную жидкость — новую разновидность веществ, специально созданную при исследованиях. Что касается цвета платины, то в природе она окрашена в серебристо-белый тон. Иногда встречаются и темно-серые образцы.

Платиновую руду важно извлечь из недр земли, для этого есть несколько способов.

Несмотря на первоначальное нахождение платиновых залежей в Южной Америке, крупнейшее месторождение в мире в XXI столетии располагается в Африке. Если совсем точно, то в ЮАР. Бушвельдский комплекс — гигантское скопление металлов платиновой группы; принято считать, что он появился 2 миллиарда лет назад в результате вулканических процессов. По форме южноафриканское месторождение напоминает «тарелочку» диаметром 370 км. Комплекс сложен из нескольких горизонтов, которые направлены вглубь.

При этом толщина залежей в 2-х горизонтах из трех всего лишь около 1 м. Активно разрабатываемый сейчас горизонт «Платриф» имеет толщину 5-90 м в разных местах. Добычу на нем ведут открытым способом. Комплекс открыли в 1924 году. Именно отсюда уходит на мировой рынок ¾ всей добываемой платины.

Но и сегодня наше отечество входит в перечень стран-лидеров по добыче платиновых руд. Правда, находится оно уже на втором месте, уступая ЮАР в 5,8 раза. Из России драгоценный металл отправляют еще и на экспорт. Третью строчку мирового рейтинга занимает Зимбабве, где добывают примерно в 3 раза меньше платины (9 тонн).

А также платину добывают:

• США (6000 кг);
• Канада (примерно 5000 кг);
• прочие государства (6100 кг вместе).

Этот металл могут извлекать как открытым, так и шахтным способом. Карьеры в основном находятся там, где обнаруживают вторичные россыпи. В этих местах платина откладывалась после механического разрушения первичных залежей. Но геологи давно выяснили, что основная часть ее сконцентрирована в подземных пластах никелевых руд. Шахтная добыча мало отличается от работы по другим металлическим полезным ископаемым; стоит отметить только значительную долю ручного труда.

После обогащения его концентрация поднимается на 3 порядка. На Бушвельдском комплексе добыча 1 кг платины в конечном счете (с учетом технологических потерь) требует поднятия 500-1500 кг руды. Потом полуфабрикат обрабатывают в очистных металлургических печах и специальных конвертерах; но окончательный результат достигается только после аффинажа, когда концентрация металла составляет 99,5%.

Платина лучше золота тем уже, что она прочнее его. Потому срок службы платиновых изделий заметно выше. Поцарапать их существенно труднее. В результате такие виды ювелирных (и не только) изделий реже попадают в ремонт. Платина «в возрасте» отличается от золота еще больше.

Она, благодаря патине, приобретает серую расцветку с матовым отливом. Многие владельцы стараются избавиться от подобного эффекта и полируют свои украшения. По мнению других людей, патина делает драгоценный металл если не еще ценнее, то во всяком случае интереснее. Не увидев вживую, принять правильное решение вряд ли получится. Родиевый слой на белом золоте постепенно сотрется, и оно станет гораздо желтее.

Еще они постепенно тускнеют, и их систематически придется чистить. Ведь серебро химически активно, и оно неизбежно будет вступать в реакцию с самыми обычными веществами, даже с атмосферным кислородом. Однако вся эта разница в пользу платины омрачается тем, что она заметно менее доступна, нежели золото и тем более серебро.

На платину похож вольфрам. Но он существенно дешевле, при этом прочность вольфрамовых изделий тоже велика. Проблема в том, что вольфрам куда тяжелее обрабатывать, придавая ему нормальную форму. Переделать вольфрамовое кольцо, скорректировать его размер — непростая задача даже при технологиях XXI века. Такие же трудности возникают и при использовании титановых имитаций.

Существует довольно много видов платиновых сплавов. Ювелирные украшения по большей части делают из металла 950 пробы, в котором содержится 95% чистой платины. Иногда можно встретить и 900-й сплав. Его явными минусами оказываются не слишком насыщенный окрас и невыразительный блеск. Потому в эстетическом плане он сильно проигрывает 950-му металлу.

Широко распространены сплавы платины с иридием. Чем больше этого второго компонента, тем более тугоплавким получится соединение. Интервал кристаллизации платиново-иридиевых сплавов относительно узок. Твердость и прочность вещества также существенно возрастают.

В разных целях платину могут еще сплавлять с:

• медью;
• рутением;
• палладием;
• никелем;
• родием.

Очень большая доля платины применяется в промышленности. Технологи высоко ценят свойство этого металла ускорять различные химические реакции не расходуясь. Сейчас он иногда используется в медицине, прежде всего для протезирования зубов. Уже в середине прошлого века на долю такого применения приходилось несколько процентов всей добываемой платины. Количество это постепенно растет.

Распространено также ее использование при производстве азотной кислоты (в качестве окислителя аммиака). Правда, в таком случае чаще применяют платиново-родиевый сплав, а не чистый металл. Причины такого предпочтения интересны только технологам и выходят за рамки данной статьи. Еще драгоценный металл применяют при выработке серной кислоты, гидрировании углеводородов, ацетилена, кетонов.

Но платина находит широкое применение также и в нефтеперерабатывающей промышленности. Она является отличным катализатором, ускоряющим получение бензина. В ректификационных колоннах помещают не сетку, как иногда думают, а мелкодисперсный платиновый порошок. Он долговечнее и молибдена, и ванадия. А также в пользу платины свидетельствует повышенная эффективность.

Платину могут применять в контактах сопротивления электрических печей. Можно ее встретить и во многих других электрических контактах.

Платиново-кобальтовый сплав нужен для создания магнитов, которые сочетают компактность и огромную производительность.

Каждый день неявно для себя используют платину многие автомобилисты. В автомобилях она содержится главным образом в катализаторах. Этот металл помогает сократить токсичность выхлопных газов, тем самым улучшая состояние городской атмосферы. Платиновое покрытие в катализаторе наносится на монолитный керамический элемент.

Возвращаясь к медицине, стоит отметить, что на основе платины делают уникальные хирургические инструменты. Их можно дезинфицировать при помощи спиртовых горелок, не расходуя специальные реактивы. Стоматологи любят работать инструментами, на которые напылен тонкий слой платины. Платиново-иридиевые электроды применяют и для управления ритмом сердечной деятельности, и для протезирования при проблемах со слухом.

Но нельзя не упомянуть о роли «белого металла» в других сферах.

Так, он очень востребован в производстве стекла. Вернее, не оконного стекла, а высококачественных оптических стекол. Родиево-платиновая смесь помогает изготовить фильеры из стекловолокна толщиной менее 1 мм. Она многие тысячи часов исправно функционирует при температуре 1400-1500 градусов, развивающейся внутри стекольных печей.

Элитное чешское стекло, стоящее практически баснословных денег, изготавливают именно внутри платиновых тиглей.

Разумеется, мимо столь стойкого к жару и самым едким реагентам вещества не могла пройти и химическая промышленность. В ней из платины изготавливают тигли, другую посуду для исследовательских и экспертных лабораторий, для особо чистых производств.

Так, именно на основе Pt создают некоторые приборы, используемые при создании полупроводниковых кристаллов. Только внутри них можно создать такие условия, когда концентрация примесей будет составлять меньше 1 атома на миллион. Еще в платиновых тиглях вырабатывают кристаллы, необходимые для создания лазеров и для контактов слаботочной электротехники.

Этот металл идет еще на:

• зеркала, используемые внутри лазеров;
• реторты для выработки плавиковой и хлорной кислот;
• нерастворимые аноды для гальванического оборудования;
• термометры сопротивления;
• отдельные детали СВЧ-аппаратуры;
• препараты, подавляющие некоторые формы онкологических расстройств;
• изготовление монет и знаков отличия, медалей и орденов;
• оборудование, где синтезируют витамины и некоторые другие фармакологические препараты.

С самого начала надо ориентироваться на цену. Платина при идентичной пробе будет как минимум втрое дороже золота. Тем более что ювелиров, работающих с ней, не так уж и много. Подавляющее большинство таких мастеров работает в Западной Европе. Желательно ориентироваться на украшения оттуда. Но не доверять ценнику и словам продавцов, а требовать официальные сертификаты.

Добавки кобальта и рутения позволяют повысить длительность службы изделия. Украшения с добавкой иридия чаще царапаются, но позволяют сэкономить. Пробу нужно выбирать прежде всего с учетом своих финансовых возможностей.

И еще несколько советов:

• платина комбинируется визуально с любыми драгоценными камнями;
• наилучшим вариантом (при наличии средств) будет сочетание ее с бриллиантами;
• вставленные камни должны соответствовать общей концепции;
• гравированные надписи и рисунки могут быстро выйти из моды;
• и конечно же, обращаться надо в официальный ювелирный салон, а не в первую попавшуюся на пути торговую точку или в киоск посреди подземного перехода.

Каких-то специфических требований тут нет. Очистка обычно проводится при помощи специальных препаратов для платины. Купить их можно в большинстве ювелирных магазинов. Некоторые люди используют ненасыщенный мыльный раствор или сильно разведенный нашатырный спирт. Иногда применяют и жидкие средства для мытья посуды; однако мыло и гели, как считается, могут привести к потере характерного блеска.

Ее проводят только опытные ювелиры на специальном оборудовании. Платиновое изделие надо хранить обособленно от украшений из других металлов. Это позволит уберечь их от деформации при касании более твердым предметом.

Высокая ценность платины обусловлена не только ее собственными уникальными свойствами, но и сравнительной редкостью. Подсчитано, что даже на месторождениях (как и во всей земной коре) концентрация Pt в 30 раз меньше, чем концентрация золота. С 1828 по 1845 годы в нашей стране делали платиновые монеты. Их номинал составлял 3, 6 и 12 рублей, а общее количество израсходованного металла превысило 14 тонн. В разряд драгоценных металлов платина попала только в 1751 году — прошло примерно 200 лет с момента, как она стала известна в Европе.

А в нашей стране за первые же 10 лет добычи извлекли столько платины, сколько за предшествующие открытию уральских залежей столетия добыли во всей Америке. И именно в России найдены как самый крупный, вообще (переплавленный), так и самый большой из дошедших до нашего времени самородков. Статус химического элемента платина получила в 1735 году, когда итальянец Д. Скалигер доказал ее неразложимость; прежде полагали, что это простое вещество.

Химически чистая платина из руды была выделена только еще спустя 68 лет в Англии. В металлическом виде она совершенно нейтральна биологически. Однако отдельные соединения (прежде всего с фтором) могут быть исключительно опасны для жизни. А в 1867 году все российские запасы платины (сразу после снятия моратория на продажу) были куплены Англией. Но еще в первые годы ХХ века на нашу страну приходилось не менее 90% мировой добычи (потому что фантастические запасы на юге Африки нашли только в середине 1920-х).

Неудивительно поэтому, что в мае 1918 года был создан специальный институт по изучению платины. Сейчас он часть института общей и неорганической химии. Отдельные платиносодержащие минералы содержат также сурьму, мышьяк или серу, но они встречаются реже, чем соединения с металлами. Так, добываемый на севере Красноярского края минерал норильскит включает 25% железа и 26% никеля. Любопытно то, что на одном из этапов промышленного получения платины может использоваться раствор сахара.

А названия этого металла довольно многообразны: его именуют и «гнилым золотом», и «лягушачьим золотом». Мелкие кристаллы его имеют кубическую форму. Первоначально в первой половине XIX века в нашей стране из платины делали кольца, обручи для бочек. По электропроводности этот металл уступает и меди, и алюминию, и серебру. Окисляться атмосферным кислородом платина начинает только при температуре от 200 градусов.

Подробнее о платине и ее свойствах смотрите в видео.