Metal szlachetny - Noble metal

Metale szlachetne w układzie okresowym

Elementy sklasyfikowane jako takie   Uznany również przez (Arb) Brooks   Arb Ahmad   Arb Studnie   Arb Tamboli i in.

Pierwiastki powszechnie uznawane za metaloidy   Gazy szlachetne

Wykres punktowy wartości elektroujemności i temperatur topnienia metali (do fermu, pierwiastek 100) i niektórych pierwiastków granicznych (Ge, As, Sb). Te uznawane przez większość chemików za metale szlachetne mają stosunkowo wysoką elektroujemność, podczas gdy ich temperatury topnienia wykazują różnicę między srebrem a złotem przy około 1000 °C (~1275 K) w porównaniu do około 1500 °C (~1775 K) dla palladu, najbardziej lotne metale z grupy platynowców. Chociaż wolfram ma wysoką elektroujemność i wysoką temperaturę topnienia, jest utleniany powyżej 350 °C i atakowany przez fluor w temperaturze pokojowej.Geografia wykresu w szerokim zakresie odpowiada układowi okresowemu. Zaczynając od dołu po lewej stronie i postępując zgodnie z ruchem wskazówek zegara, po metalach alkalicznych następują cięższe metale ziem alkalicznych ; z metali ziem rzadkich i aktynowce (SC, y i lantanowców są tutaj traktowane jako pierwiastków ziem rzadkich ); metale przejściowe o pośrednich wartościach elektroujemności i temperaturach topnienia; że metale stopowe ; z metali z grupy platyny ; oraz metale monetarne wiodące i stanowiące część metali poprzejściowych .

W chemii , metale szlachetne są elementy metalowe, które wykazują wyjątkową odporność na działanie środków chemicznych, nawet przy wysokich temperaturach. Są one dobrze znane ze swoich właściwości katalitycznych i związanej z nimi zdolności do ułatwiania lub kontrolowania szybkości reakcji chemicznych. Krótka lista metali szlachetnych chemicznie (te pierwiastki, co do których zgadzają się prawie wszyscy chemicy ) obejmuje ruten (Ru), rod (Rh), pallad (Pd), osm (Os), iryd (Ir), platynę (Pt), złoto ( Au), srebro (Ag). W układzie okresowym można dokonać analogii między metalami szlachetnymi a gazami szlachetnymi , które są głównie niereaktywne.

Bardziej wyczerpujące listy obejmują jeden lub więcej miedzi (Cu), renu (Re) i rtęci (Hg) jako metali szlachetnych.

Znaczenie i historia

Chociaż listy metali szlachetnych mogą się różnić, mają tendencję do skupiania się wokół sześciu metali z grupy platynowców — rutenu, rodu, palladu, osmu, irydu i platyny

Oprócz funkcji tego terminu jako rzeczownika złożonego , istnieją okoliczności, w których szlachetny jest używany jako przymiotnik dla rzeczownika metal . Szereg galwaniczny to hierarchia metali (lub innych materiałów przewodzących prąd elektryczny, w tym kompozytów i półmetali ), która przebiega od szlachetnych do aktywnych i pozwala przewidzieć, jak materiały będą oddziaływać w środowisku użytym do wygenerowania szeregu. W tym sensie grafit jest bardziej szlachetny niż srebro, a względna szlachetność wielu materiałów zależy w dużym stopniu od kontekstu, tak jak w przypadku aluminium i stali nierdzewnej w warunkach zmiennego pH .

Termin metal szlachetny sięga co najmniej końca XIV wieku i ma nieco inne znaczenie w różnych dziedzinach nauki i zastosowań.

Przed opublikowaniem przez Mendelejewa w 1869 r. pierwszego (ewentualnie) powszechnie akceptowanego układu okresowego pierwiastków, Odling opublikował w 1864 r. tablicę, w której „metale szlachetne” rod, ruten, pallad; a platyna, iryd i osm były zgrupowane razem i sąsiadowały ze srebrem i złotem.

• 

  Miedź rodzima z półwyspu Keweenaw w stanie Michigan, o długości około 6,4 cm
• 

  Połowa sztabki rutenu, rozmiar ok. 40 × 15 × 10 mm, waga ca. 44 gramy
• 

  Rod: 1 g proszku, 1 g prasowany cylinder, 1 g pelet.
• 

  Paladium
• 

  Srebrny kryształ, 11 g
• 

  Ren: pojedynczy kryształ, bar i 1 cm ³ kostki dla porównania.
• 

  Kryształy osmu, 2,2 g
• 

  Kawałki czystego irydu, 1 g, wielkość: 1–3 mm każdy
• 

  Kryształy czystej platyny
• 

  Samorodek złota z Australii , wczesne 9000 g lub 64 uncje
• 

  Rtęć wlewa się do szalki Petriego

Nieruchomości

Obfitość pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej w funkcji liczby atomowej. Najrzadsze pierwiastki (pokazane na żółto, w tym metale szlachetne) nie są najcięższe, ale raczej syderofilne (lubiące żelazo) pierwiastki w klasyfikacji pierwiastków Goldschmidta . Zostały one uszczuplone przez przeniesienie w głąb jądra Ziemi . Ich liczebność w materiałach meteoroidowych jest stosunkowo wyższa. Tellur i selen zostały zubożone w skorupie z powodu tworzenia lotnych wodorków.

Geochemiczny

Metale szlachetne są syderofilami (miłośnikami żelaza). Mają tendencję do zatapiania się w jądrze Ziemi, ponieważ łatwo rozpuszczają się w żelazie jako roztwory stałe lub w stanie stopionym. Większość pierwiastków syderofilnych praktycznie nie wykazuje żadnego powinowactwa z tlenem: rzeczywiście, tlenki złota są termodynamicznie niestabilne w stosunku do pierwiastków.

Miedź, srebro, złoto i sześć metali z grupy platynowców to jedyne rodzime metale, które występują naturalnie w stosunkowo dużych ilościach.

Odporność na korozję

Miedź jest rozpuszczana przez kwas azotowy i wodny roztwór cyjanku potasu .

Ruten może być rozpuszczony w wodzie królewskiej , wysoce stężonej mieszaninie kwasu solnego i azotowego , tylko w obecności tlenu, podczas gdy rod musi być w postaci drobno sproszkowanej. Pallad i srebro są rozpuszczalne w kwasie azotowym , przy czym rozpuszczalność srebra jest ograniczona przez tworzenie się osadu chlorku srebra .

Ren reaguje z kwasami utleniającymi i nadtlenkiem wodoru , i mówi się, że jest matowieny przez wilgotne powietrze. Osm i iryd są chemicznie obojętne w warunkach otoczenia. Platynę i złoto można rozpuszczać w wodzie królewskiej. Rtęć reaguje z kwasami utleniającymi.

W 2010 roku, naukowcy US odkryto, że organiczny „wodny regia” w postaci mieszaniny z chlorkiem tionylu SOCl ₂ i organiczny rozpuszczalnik pirydyny C ₅ H ₅ N osiągnięty „wysokie szybkości rozpuszczania metali szlachetnych w łagodnych warunkach, z dodatkową korzyścią dostrajania do konkretnego metalu”, na przykład złota, ale nie palladu lub platyny.

Elektroniczny

W fizyce określenie „metal szlachetny” ogranicza się czasem do miedzi, srebra i złota, ponieważ ich pełne d-subshelle przyczyniają się do ich szlachetnego charakteru. W przeciwieństwie do tego, inne metale szlachetne, zwłaszcza metale z grupy platynowców, mają znaczące zastosowania katalityczne, wynikające z ich częściowo wypełnionych podpowłok d. Tak jest w przypadku palladu, który ma pełną podpowłokę d w stanie atomowym, ale w postaci skondensowanej ma częściowo wypełnione pasmo sp kosztem zajętości pasma d.

Różnicę w reaktywności można zaobserwować podczas przygotowywania czystych powierzchni metalowych w ultrawysokiej próżni : powierzchnie „fizycznie zdefiniowanych” metali szlachetnych (np. złota) są łatwe do czyszczenia i utrzymują w czystości przez długi czas, natomiast te z platyny na przykład pallad są bardzo szybko pokrywane tlenkiem węgla .

Elektrochemiczny

Standardowe potencjały redukcji w roztworze wodnym są również użytecznym sposobem przewidywania niewodnej chemii zaangażowanych metali. W ten sposób metale o wysokim potencjale ujemnym, takie jak sód lub potas, zapalą się w powietrzu, tworząc odpowiednie tlenki. Pożarów tych nie można ugasić wodą, która również reaguje z metalami, tworząc wodór, który sam w sobie jest wybuchowy. Natomiast metale szlachetne są niechętne reakcji z tlenem iz tego powodu (a także ich niedobór) są cenione od tysiącleci i wykorzystywane w biżuterii i monetach.

W sąsiedniej tabeli podano standardowy potencjał redukcyjny w woltach; elektroujemność (poprawione Pauling); oraz wartości powinowactwa elektronowego (kJ/mol), dla niektórych metali i niemetali. Metale powszechnie uznawane za metale szlachetne są oznaczone symbolem ✣; a metaloidy są oznaczone jako ^MD .

Uproszczone wpisy w kolumnie reakcyjnej można szczegółowo odczytać z wykresów Pourbaix rozważanego pierwiastka w wodzie. Metale szlachetne mają duży dodatni potencjał; pierwiastki niewymienione w tej tabeli mają ujemny potencjał standardowy lub nie są metalami.

Uwzględniono elektroujemność, ponieważ uważa się ją za „główną siłę napędową szlachetności i reaktywności metalu”.

Ze względu na ich wysokie wartości powinowactwa elektronowego, włączenie do procesu fotolizy elektrochemicznej metalu szlachetnego , takiego jak między innymi platyna i złoto, może zwiększyć fotoaktywność.

Arsen, antymon i tellur są uważane za metaloidy, a nie za metale szlachetne.

Czarny nalot powszechnie widoczny na srebrze wynika z jego wrażliwości na siarkowodór : 2Ag + H ₂ S +1/2O ₂ → Ag ₂ S + H ₂ O. Rayner-Canham twierdzi, że „srebro jest o wiele bardziej reaktywne chemicznie i ma tak inny skład chemiczny, że nie powinno być uważane za 'metal szlachetny'”. W stomatologii srebro nie jest uważane za metal szlachetny ze względu na jego skłonność do korozji w środowisku jamy ustnej.

Znaczenie wpisu dla wody jest omawiane przez Li et al. w kontekście korozji galwanicznej. Taki proces nastąpi tylko wtedy, gdy:

„(1) dwa metale, które mają różne potencjały elektrochemiczne są… połączone, (2) istnieje faza wodna z elektrolitem, i (3) jeden z dwóch metali ma… potencjał niższy niż potencjał reakcji ( H
₂O + 4e + O
₂= 4 OH ^• ), czyli 0,4 V... Metal o... potencjale mniejszym niż 0,4 V działa jak anoda... traci elektrony... i rozpuszcza się w środowisku wodnym. Metal szlachetny (o wyższym potencjale elektrochemicznym) działa jak katoda i w wielu warunkach reakcja na tej elektrodzie to generalnie H
₂O − 4 e ^• − O
₂= 4 OH ^• )."

W superciężkie elementy z has (elementu 108) do liwermor (116) włącznie oczekuje się jako „metale szlachetne częściowo bardzo”; chemiczne badania haszu wykazały, że zachowuje się on jak jego lżejszy kongener osm, a wstępne badania nihonium i flerovium zasugerowały, ale nie definitywnie ustalono szlachetne zachowanie. Zachowanie Copernicium wydaje się częściowo przypominać zarówno lżejszą kongenerowaną rtęć, jak i szlachetny gaz radon .

Tlenki

Już w 1890 roku Hiorns zaobserwował, co następuje:

" Szlachetne metale. Złoto, platyna, srebro, a kilka rzadkich metali. Członkowie tej grupy mają niewielką lub żadną tendencję do zjednoczenia się z tlenem w stanie wolnym, a po umieszczeniu w wodzie na czerwonym ciepła nie zmienia swojego składu. Tlenki łatwo rozkładają się pod wpływem ciepła w wyniku słabego powinowactwa między metalem a tlenem”.

Smith, pisząc w 1946 roku, kontynuował temat:

„Nie ma ostrej linii podziału [pomiędzy 'metalami szlachetnymi' i 'metalami nieszlachetnymi'], ale być może najlepszą definicją metalu szlachetnego jest metal, którego tlenek łatwo rozkłada się w temperaturze poniżej czerwonego ciepła”.

„Wynika z tego, że metale szlachetne… mają niewielkie przyciąganie tlenu i w związku z tym nie utleniają się ani nie odbarwiają w umiarkowanych temperaturach”.

Taka szlachetność związana jest głównie ze stosunkowo wysokimi wartościami elektroujemności metali szlachetnych, co skutkuje jedynie słabo polarnym wiązaniem kowalencyjnym z tlenem. W tabeli wymieniono temperatury topnienia tlenków metali szlachetnych i niektórych metali nieszlachetnych dla pierwiastków w ich najbardziej stabilnych stanach utlenienia.

Zobacz też

• Metale drobne

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

• Balshaw L 2020, „ Metale szlachetne rozpuszczone bez aqua regia ”, Świat Chemii, 1 września
• Beamish FE 2012, Chemia analityczna metali szlachetnych, Elsevier Science, Burlington
• Brasser R, Mojzsis SJ 2017, „Kolosalne uderzenie wzbogaciło płaszcz Marsa metalami szlachetnymi”, Geophys. Res. Let., tom. 44, s. 5978–5985, doi : 10.1002/2017GL074002
• Brooks RR (red.) 1992, Metale szlachetne i systemy biologiczne: ich rola w medycynie, eksploracji minerałów i środowisku, CRC Press, Boca Raton
• Brubaker PE, Moran JP, Bridbord K, Hueter FG 1975, „Metale szlachetne: ocena toksykologiczna potencjalnych nowych zanieczyszczeń środowiska”, Perspektywy ochrony środowiska, tom. 10, s. 39–56, doi : 10.1289/ehp.751039
• Du R i in. 2019, „ Wschodzące aerożele z metali szlachetnych: stan wiedzy i przyszłość ”, Matter, vol. 1, s. 39–56
• Hämäläinen J, Ritala M, Leskelä M 2013, „Osadzanie warstwy atomowej metali szlachetnych i ich tlenków”, Chemia Materiałów, tom. 26, nie. 1, s. 786–801, doi : 10.1021/cm402221
• Kepp K 2020, „Chemiczne przyczyny szlachetności metali”, ChemPhysChem, tom. 21 nie. 5. s. 360-369, doi : 10.1002/cphc.202000013
• Lal H, Bhagat SN 1985, „Gradacja metalicznego charakteru metali szlachetnych na podstawie właściwości termoelektrycznych”, Indian Journal of Pure and Applied Physics, tom. 23, nie. 11, s. 551–554
• Lyon SB 2010, „3.21 – Korozja metali szlachetnych”, w B Cottis et al. (red.), Shreir's Corrosion, Elsevier, s. 2205-2223, doi : 10.1016/B978-044452787-5.00109-8
• Medici S, Peana MF, Zoroddu MA 2018, „Metale szlachetne w farmaceutykach: Zastosowania i ograniczenia”, w M Rai M, Ingle, S Medici (red.), Biomedyczne zastosowania metali, Springer, doi : 10.1007/978-3- 319-74814-6_1
• Pan S i in. 2019, „Szlachetno-szlachetny silny związek: złoto w najlepszym wydaniu, aby stworzyć wiązanie z atomem gazu szlachetnego”, ChemistryOpen, tom. 8, s. 173, doi : 10.1002/otwarty.201800257
• Russel A 1931, „Proste osadzanie metali reaktywnych na metalach szlachetnych”, Nature, tom. 127, s. 273–274, doi : 10.1038/127273b0
• St. John J i in. 1984, Metale szlachetne, Time-Life Books, Aleksandria, VA
• Wang H 2017, „Rozdział 9 – Metale szlachetne”, w LY Jiang, N Li (red.), Separacje membranowe w metalurgii, Elsevier, s. 249-272, doi : 10.1016/B978-0-12-803410- 1,00009-8

Zewnętrzne linki

• Metal szlachetny – chemia Encyclopædia Britannica, wydanie online