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。它们的主要物理和机械性质见表1。
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。铂族元素的主要矿物及其组成见表1。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。
表1 铂族金属的物理和机械性质
Ru |
Rh |
Pd |
Os |
Ir |
Pt | |
密度(g/cm3,20℃) |
12.45 |
12.41 |
12.02 |
22.61 |
22.65 |
21.45 |
熔点(℃) |
2,310 |
1,963 |
1,554 |
3,045 |
2,47 |
1,772 |
沸点(℃) |
4,080 |
3,700 |
2,900 |
5,020 |
4,500 |
3,800 |
比热[J/(kg·K),20℃] |
230.5 |
246.4 |
244.3 |
129.3 |
128.4 |
131.2 |
延伸率(%) |
5 |
40 |
40 | |||
导热率[W/(m·K),0~100℃] |
105 |
150 |
76 |
87 |
148 |
73 |
线膨胀系数(K-1×10-4) |
9.1 |
8.3 |
11.1 |
6.1 |
6.8 |
9.1 |
电阻率[μΩ·cm(0℃)] |
6.80 |
4.33 |
9.93 |
8.12 |
4.71 |
9.85 |
电阻温度系数(0~100℃/℃) |
0.0042 |
0.0046 |
0.0038 |
0.0042 |
0.0043 |
0.0039 |
磁化系数(cm3·g-1×106) |
0.427 |
0.9903 |
5.231 |
0.052 |
0.133 |
0.9712 |
逸出功(eV) |
74.54 |
4.90 |
4.99 |
4.8 |
5.40 |
5.27 |
维氏硬度(退火态) |
200~350 |
100~102 |
40~42 |
300~670 |
200~400 |
40~42 |
抗拉强度(退火态,N/mm2) |
496 |
688 |
172 |
1,090 |
125 | |
弹性模量(N/mm2) |
4.17×105 |
3.16×105 |
1.17×105 |
5.56×105 |
5.16×105 |
1.72×105 |
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(表2),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。
表2 铂族元素的主要矿物及其组成
类别 |
矿物名称 |
化学式 |
主要化学组分(%) |
自然元素 及金属互化物 |
自然钯 |
Pd |
Pd 8.6~100.0 |
自然铂 |
Pt |
Pt 83.2~100.0 | |
铁自然铂 |
Pt,Fe |
Pt 74.8~90.2,Fe8.8~18.5 | |
自然铱 |
Ir |
Ir 78.8~95.0 | |
自然锇 |
Os |
Os 78.0~99.8 | |
自然钌 |
Ru |
Ru 64.4~1.1 | |
铂自然铑 |
Rh,Pt |
Rh 41.7,Pt 59.6 | |
钯自然金 |
Au,Pd |
Au 85.2,Pd 12.3 | |
铂自然铜 |
Cu,Pt |
Cu 28.5~31.0,Pt 68.5~73.8 | |
正方铁铂矿 |
Pr,Fe |
Pt 60.9~82,Fe 14.9~26.6 | |
红石矿 |
Cu,Pt |
Cu 24.4~24.7,Pt 73.8~76 | |
等轴锇铱矿 |
Ir,Os |
Ir 54.1~82.2,Os 16.3~40.9 | |
自然 元素及 金属 互化物 |
铱锇矿 |
Os,Ir |
Os 47.3~80.3,Ir 15.2~49.7 |
汞钯矿 |
PdHg |
Pd 34.8~35.9,Hg 64.1~65.2 | |
铅钯矿 |
Pd2Pb2 |
Pd 37.2~44.6,Pb 49.2~58.7 | |
锡钯矿 |
Pd3Sn2 |
Pd 58,Sn 38 | |
各 种 化 合 物 |
砷铂矿 |
PtAs |
Pt 46.6~59.3,As 37.6~46.8 |
砷钯矿 |
Pd8(As,Sb)3 |
Pd 76.8~78.5,As 16.1~17.1 | |
峨眉矿 |
OsAs2 |
Os 46.5~51.2,As 42.3~45.0 | |
锑钯矿 |
Pd5Sb2 |
Pd 66.9~70.8,Sb 27.7~32.5 | |
硫钌矿 |
RuS2 |
Ru 46.7~67.0,S 31.8~41.4 | |
硫锇矿 |
OsS2 |
Os 64.3~72.4,S 25.0~26.6 | |
硫铂矿 |
PtS |
Pt 75.7~86.2,S 12.4~17.6 | |
硫钯矿 |
PtSs |
Pd 52.4~73.5,S 20.0~25.2 | |
硫镍钯铂矿 |
(Pt,Pd,Ni)S |
Pt 31.5~68.8,Pd 8.5~38.5,Ni 3.5~8.3 | |
硫砷铑矿 |
RhAsS |
Rh 41.3,As 33.3 S 16.4 | |
硫砷铱矿 |
IrAsS |
Ir 55.3~66.5,As 21.5~36.4,S 6.6~14.3 | |
碲钯矿 |
PdTe2 |
Pd 21.7~33.2,Te 50.8~67.8 | |
碲铂矿 |
PtTe2 |
Pt 31.0~46.3,Te 44.2~61.4 | |
等轴碲铋钯矿 |
PdTeBi |
Pd 18.0~25.5,Te 27.7~33.0,Bi 36.6~48.0 | |
含铂族 元素矿物 |
含铂钯自然金 |
Au |
Au 84.6~95.6 |
含铂钯银金矿 |
Au,Ag |
Au 58.4~80.1,Ag 9.0~29.2 | |
含铂钯自然银 |
Ag |
Ag 67.3~97.5 | |
含铂自然铋 |
Bi |
Bi 大量 | |
含钌铑镍黄铁矿 |
(Fe,Ni)9S3 |
Fe 15.4,Ni 37.6,S 30.7 |