78 Pt 铂 195.084
过渡金属 d区 第6周期 第10族

铂

Pt · 元素78 · 过渡金属

催化剂金属:铂能让原本需要不可能条件的反应发生。

20°C时的状态 固态
原子量 195.084 u
电子排布[Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s¹

结构

铂原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示铂在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 21.45 g/cm³ 91%
熔点 2041.4 K 85%
沸点 4098 K 83%
比热容 0.133 J/g·K
热导率 71.6 W/m·K 73%

原子

原子半径 139 pm 30%
共价半径 136 pm
范德华半径 209 pm

电子

电负性 2.28 85%
电离能 864.5 kJ/mol 75%
电子亲和能 205.5 kJ/mol 92%

存在情况

地壳中的丰度 0.005 mg/kg 37%

身份

符号Pt
原子序数78
原子量195.084 u
类别过渡金属
区d
晶体结构面心立方
氧化态-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6
发现1735
发现者Antonio de Ulloa

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

铂的原子有多大?

半径139 pm——即0.139 nm,因此大约3.6百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

铂在2057 K的范围内呈液态,温度从2041 K到4098 K。

所在位置

在表中的位置

铂位于第6周期、第10族。 第10族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

铂是什么,以及我们如何发现它

催化剂金属:铂能让原本需要不可能条件的反应发生。

铂的发现

新世界的白色黄金

西班牙征服者与“无价值”的金属(1520年代)

最早接触铂的欧洲人是1520年代在哥伦比亚和厄瓜多尔河流中活动的西班牙征服者。他们称其为“platina del Pinto”(平托河的小银),这个轻蔑的名称反映了他们的挫败感:这种“杂质银”既无法熔化,也无法像他们熟悉的贵金属那样加工。

在欧洲人接触南美之前,当地居民已经加工铂超过1,000年。拉托利塔文化的前哥伦布时期工匠制作了精美的铂金合金珠宝和器物,展现出先进的冶金知识,而欧洲人直到数个世纪后才达到类似水平。

西班牙矿工认为铂是污染金矿的麻烦金属。他们经常把它扔回河里,认为那是尚未成熟的金,最终会“成熟”为真正的黄金。一些西班牙殖民地甚至禁止开采铂,担心它会被用于伪造金币。

欧洲科学界的认可(1735—1750年)

对铂的科学研究始于西班牙海军军官Antonio de Ulloa于1735年将样品带到欧洲。他对这种神秘金属进行的详细观察引起了欧洲科学家的兴趣,他们确认铂是一种独立的元素,而不是杂质银。

英国冶金学家William Brownrigg于1750年对铂进行了首次系统研究,记录了其独特的性质,包括较高的熔点和耐酸性。他的工作确立了铂作为科学研究对象的地位。

法国物理学家Pierre-François Chabaneau于1786年首次成功熔化并加工铂,开发出相关技术,使工匠能够在欧洲制作最早的铂首饰和科学仪器。

王室赞助与“金属之王”(1750—1800年)

法国国王Louis XVI对铂产生了浓厚兴趣,并委托制作精美的铂制品,宣称铂是“唯一配得上国王的金属”。他的赞助使铂从稀奇物变成奢侈品,确立了铂与王室及独特地位之间的联系。

法国化学家发展出的粉末冶金技术使制作更大的铂制品成为可能。他们学会将铂盐还原成细粉,再压制并加热粉末,形成可加工的金属——这些技术至今仍在使用。

法国大革命期间,铂的稀有性及其与王室的联系使其在政治上变得危险。许多铂制品被藏匿或销毁,因此如今这一时期幸存的铂制品对收藏家而言极其珍贵。

化学突破与工业应用(1800—1850年)

英国化学家William Hyde Wollaston通过开发在工业规模上提纯和加工铂的方法,彻底改变了铂化学。他利用王水溶解铂并回收纯金属的技术,奠定了现代铂精炼的基础。

Wollaston还在处理铂残渣时发现了钯和铑,展现了铂族金属之间相互关联的特性。他的工作为自己赢得了巨额财富,也确立了伦敦作为铂专业技术中心的地位。

铂坩埚和实验室设备的发展彻底改变了化学和玻璃制造业。这些不易发生反应的容器使化学家能够处理那些会污染或破坏其他容器的物质。

工业革命与大规模生产(1850—1900年)

氢氧吹管的发明终于使铂能够轻松熔化,从而实现铂制品的大规模生产。这一技术突破使铂首饰和工业应用在经济上变得可行。

俄罗斯的铂生产始于乌拉尔山脉,并开始向欧洲市场供应,使铂更广泛地进入市场。俄罗斯矿床非常丰富,以至于铂一度比黄金更便宜,促成了铂制货币的铸造。

铂催化硫酸生产技术的发展标志着铂在化学工业中发挥关键作用的开始。这一应用展示了铂独特的催化性质,而这种性质后来成为现代工业化学的核心。

现代理解与应用(1900年至今)

20世纪带来了对铂催化性质分子层面的科学理解。研究揭示了铂为何能够在不被反应消耗的情况下,有效促进化学反应。

1965年,Barnett Rosenberg发现顺铂的抗癌性质,为铂的应用开辟了全新篇章。这一发现源于对细菌生长的研究,此后顺铂通过癌症化疗挽救了数百万人的生命。

如今,铂在燃料电池和汽车催化剂中的应用,代表了这种非凡金属不断发展历程的最新篇章。从“无价值”的河卵石到清洁能源技术中的关键组件,铂的历程反映了人类对自然世界不断加深的理解。

用途

铂的用途

工业应用

汽车催化革命

铂是现代汽车尾气排放控制的基石,使城市环境拥有清洁空气成为可能。汽油发动机中的催化转化器利用铂,将有害的一氧化碳、氮氧化物和未燃烧的碳氢化合物转化为无害的水蒸气、二氧化碳和氮气。

汽车行业消耗了全球铂产量的40%以上。一辆普通汽车的催化转化器中含有3-7克铂,而大型车辆中的铂含量可能高达30克。柴油发动机高度依赖铂催化剂,用于去除有害烟尘颗粒的颗粒过滤器系统。

新一代氢燃料电池汽车代表着铂在汽车领域应用的未来。燃料电池利用铂催化剂高效地将氢气和氧气转化为电能,唯一的排放物是水。随着交通运输转向零排放解决方案,这项技术可能会大幅增加对铂的需求。

石油与化学工业

铂催化剂对石油精炼至关重要,尤其用于催化重整工艺,将低辛烷值石油馏分升级为高辛烷值汽油组分。这些催化剂能够提高燃料效率,并减少现代车辆中的发动机爆震。

化学工业利用铂生产硝酸,硝酸是肥料和炸药的重要组成部分。奥斯特瓦尔德法中的铂-铑网催化剂能够在工业规模下实现氨向硝酸的高效转化。

药品制造依靠铂催化剂进行复杂的有机合成反应。这些催化剂能够以高纯度和高效率生产挽救生命的药物,尤其适用于构建药物发挥疗效所需的特定分子结构。

电子与电气应用

铂优异的导电性和耐腐蚀性使其成为高可靠性电子设备中不可或缺的材料。关键系统中的电触点使用铂,以确保在数百万次开关循环中保持稳定性能。

计算机硬盘的磁记录层中含有铂,从而实现高密度数据存储。这种金属的稳定性能够确保数据在数十年的使用中保持完整。铂还用于固态硬盘(SSD),支持下一代存储技术。

电信行业在光纤系统和高频电路中使用铂,这些领域对信号完整性有极高要求。铂的抗氧化性确保其在恶劣环境中长期可靠运行。

先进材料与纳米技术

铂纳米颗粒凭借极高的表面积和独特的电子性质,正在推动催化技术的变革。这些纳米级催化剂比块体铂更高效,可减少工业工艺所需的铂用量。

在燃料电池技术中,负载于碳载体上的铂纳米颗粒提供了高效进行氢氧反应所需的催化活性。研究重点是在保持性能的同时减少铂的加载量。

癌症治疗使用顺铂、卡铂和奥沙利铂等铂类化疗药物。这些化合物会干扰癌细胞DNA的复制,因此对多种肿瘤类型都有效。

高温应用

铂的高熔点(1,768°C)和抗氧化性使其成为高温应用中的必需材料。玻璃制造使用内衬铂的炉子和设备,这些设备能够承受极端条件,同时避免污染产品。

航空航天应用包括涡轮发动机部件、火箭喷嘴和隔热罩。在这些应用中,铂兼具强度和化学惰性,对安全性和性能至关重要。

工业炉和窑炉使用铂加热元件和温度传感器,使其在极端热循环条件下仍能保持准确性和耐久性。

铂在日常生活中的应用

奢华珠宝与贵重物品

铂制婚戒和订婚戒指象征着永恒爱情的最高象征。铂天然的白色光泽永不褪色或失去光泽,象征着永恒的承诺。与白金不同,铂不需要镀铑,能够长久保持美丽外观。

Cartier、Tiffany和Van Cleef & Arpels等奢侈珠宝品牌看重铂牢固镶嵌宝石的能力。铂的密度和强度使其非常适合制作精巧的镶嵌结构,充分展现钻石和彩色宝石的魅力。

高端腕表采用铂表壳,耐刮擦和腐蚀。Patek Philippe和Rolex等品牌打造独家铂制腕表,将卓越工艺与佩戴地球上最稀有金属之一所带来的尊贵感融为一体。

车辆中默默发挥作用的英雄

每次启动汽车时,铂催化剂都会立即发挥作用,在尾气进入大气之前将其净化。汽车的催化转化器含有贵重的铂,能将有害污染物转化为无害排放物,使现代城市生活成为可能。

高性能汽车中的火花塞通常采用铂电极,比传统火花塞使用寿命更长,并能提供更稳定的点火效果。这些火花塞可以提高燃油效率,减少维护需求。

豪华汽车和电动汽车越来越多地使用由铂催化剂驱动的燃料电池。这些系统利用氢气发电,排放物仅为水蒸气,代表着清洁交通的未来。

挽救生命的医疗应用

癌症治疗高度依赖铂类化疗药物。顺铂等药物通过靶向癌细胞,同时尽量减少对健康组织的损伤,已经挽救了数百万人的生命。这些药物对睾丸癌、卵巢癌和肺癌尤其有效。

心脏起搏器和医疗植入物使用铂电极,在人体内安全传导电脉冲。铂具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,非常适合长期植入,不易引发不良反应。

牙科修复常在牙冠、牙桥和正畸器械中加入铂合金。铂的强度和抵抗口腔细菌的能力,使其成为牙齿修复的耐用选择。

家庭与消费电子产品

你的电脑硬盘在磁存储层中含有铂,从而实现现代计算机所需的高密度数据存储。铂的磁性和稳定性确保你的数据能够多年保持安全。

高端音响设备在电触点和电路中使用铂,以确保最纯净的声音还原。发烧友看重铂优异的导电性和耐腐蚀性,因为这些特性有助于保持信号质量。

烤箱和热水器等家用电器中的热电偶和温度传感器使用铂进行精确的温度测量。这些传感器确保日常家用电器安全、高效地运行。

日常化学产品

你汽车中的汽油经过铂催化剂精炼,提高了辛烷值并去除了杂质。这些催化剂使现代燃料更加高效,燃烧也更加清洁。

种植你所食用的食物所需的肥料,是在硝酸生产过程中使用铂催化剂制造的。这一过程推动了大规模农业的发展,为全世界数十亿人提供食物。

许多家用清洁剂和化学品采用铂催化工艺制造,在尽量减少环境影响的同时确保产品的纯度和效果。

来源

自然存在

地壳中含量为0.005 mg/kg · 比37%的元素更丰富

贵金属在地球上的稀有分布

全球分布与地质特征

铂是地球上最稀有的元素之一,地壳平均丰度仅为十亿分之五——大约比金稀有30倍。这种极端稀缺性源于铂的高密度和亲铁性,这导致其在行星形成期间大部分沉入地球内核。

大多数可开采的铂存在于古老的层状镁铁质岩体中——这些地质构造由岩浆经过数百万年缓慢冷却和结晶形成。这些岩体通过复杂的地质过程,将铂族金属富集成具有经济开采价值的矿床。

铂矿床通常与其他铂族金属(钯、铑、钌、锇和铱)以及镍、铜等贱金属共生。这种共生关系需要复杂的分离技术才能提取纯铂。

主要采矿地区

南非占据全球铂产量的主导地位,约占世界产量的70%。形成于20多亿年前的布什维尔德火成杂岩,蕴藏着世界上已知最大的铂储量。这一地质奇观绵延65,000平方千米,是地球上最重要的矿产宝藏之一。

俄罗斯是第二大生产国,主要矿床位于西伯利亚的诺里尔斯克—塔尔纳赫地区。这些矿床形成于2.5亿年前的大规模火山活动,同时还蕴藏着丰富的镍、铜资源和铂族金属。

北美通过美国蒙大拿州的斯蒂尔沃特杂岩和加拿大的萨德伯里盆地为全球铂供应作出贡献。这些规模较小但十分重要的来源有助于实现全球铂供应链多元化。

津巴布韦拥有大岩墙,这是一处含有丰富铂资源的层状岩体。随着其他地区易开采矿床逐渐枯竭,其重要性可能日益提升。

采矿与提取的挑战

铂矿开采极其困难且成本高昂。大多数铂存在于深度超过1,000米的地下矿床中,需要先进的采矿技术和大量资本投入。一座地下矿山可能需要10-15年才能建成并产出第一批铂。

精炼过程同样复杂。铂原矿通常每吨岩石仅含3-6克铂,因此需要处理数量巨大的矿石。从原矿中生产纯铂的完整精炼过程可能需要5-6个月。

环境与安全方面的考虑使铂矿开采尤其具有挑战性。深部地下作业需要完善的安全系统,而精炼过程中使用的化学工艺也必须得到严格管理,以尽量减少对环境的影响。

冲积矿床与砂矿床

历史上的铂回收始于俄罗斯乌拉尔山脉的冲积矿床,风化和侵蚀作用使铂颗粒富集在河床中。这些易于开采的地表矿床到20世纪初已基本耗尽。

哥伦比亚仍是少数继续进行小规模冲积铂开采的地区之一。乔科地区通过传统砂矿开采技术生产少量铂,但环境问题限制了这些作业的扩张。

流经含铂地质构造的河流系统偶尔会产出铂颗粒,其中最大的标本重量可达数千克。这些天然铂标本因其稀有性和美观而受到收藏家和博物馆珍视。

二次来源与回收

鉴于铂价值极高且十分稀缺,回收已成为满足全球需求的关键。每年铂供应量中约有25-30%来自回收来源,主要包括废旧汽车催化剂、电子元件和珠宝。

汽车催化剂回收尤其重要,因为催化转化器含有3-7克铂族金属。专业设施会回收并精炼这些金属,使其重新投入使用。

发达国家的铂回收率超过60%,使二次回收成为全球铂供应链的重要组成部分。先进的湿法冶金工艺能够高效地从复杂合金和受污染材料中回收铂。

处理

安全

铂安全指南

通常安全的金属形态

金属铂被认为在处理和佩戴时非常安全。在正常条件下,铂的化学惰性意味着它不会与皮肤、空气或大多数化学品发生反应。这就是铂首饰可以连续佩戴而不会引起皮肤反应的原因,即使是敏感人群也一样。

与含镍合金不同,铂很少引起过敏反应,通常建议金属敏感人群使用。铂的生物相容性使其适用于医疗植入物和牙科修复。

铂化合物危害

可溶性铂盐可能导致严重健康问题,需要谨慎处理。氯化铂和其他铂化合物可能引起严重过敏反应、呼吸道刺激和皮肤致敏。

对于在精炼厂和化工厂接触铂化合物的工人来说,职业性哮喘是一个严重问题。这种疾病可能在接触数月或数年后发生,即使停止接触,也可能变成永久性疾病。

铂化合物引起的皮肤致敏可能逐渐发展。一旦致敏,即使是痕量的铂化合物也可能使人发生严重过敏反应。处理可溶性铂化合物时,应使用丁腈手套和防护服。

呼吸道和吸入危害

铂粉尘和烟雾会带来严重的呼吸道风险。涉及铂的研磨、焊接或高温加工的工业过程可能产生空气传播的颗粒物,导致肺部刺激和致敏。

铂精炼厂的工人必须使用呼吸防护(最低使用N95,最好使用P100筛选器),以防止吸入含铂颗粒物。所有铂加工区域都必须配备足够的通风系统。

铂哮喘可影响多达50%的长期接触铂盐的工人。症状包括喘鸣、胸闷和呼吸困难。这种疾病需要立即就医,并永久脱离铂暴露环境。

医疗和化疗注意事项

铂类化疗药物(顺铂、卡铂、奥沙利铂)由于作用强效,需要专业医疗监督。如果使用不当,这些药物可能导致肾损伤、听力损失和严重恶心。

处理铂类化疗药物的医务人员必须遵守严格的细胞毒性药物操作规程,包括戴双层手套、穿防护服,并在生物安全柜中配制,以防止职业暴露。

接受铂类化疗的患者需要定期监测肾功能、听力和血细胞计数。补液规程对于防止这些强效药物造成肾损伤至关重要。

工业安全操作

铂的高温加工需要专用设备,因为其熔点为1,768°C。极高温危害要求采取适当的热防护措施,并制定烧伤应急程序。

铂精炼过程中的化学处理涉及浓酸和有毒溶剂。工人必须使用适当的耐化学品防护服、护目装备以及紧急淋浴和洗眼设施。

由于铂价值极高,加工设施必须采取安保措施。防盗规程必须在安全需求与工人安全要求之间取得平衡。

环境和处置注意事项

铂的稀有性和价值使处置在经济上造成浪费。所有含铂材料都应通过专业贵金属回收服务进行回收,而不是作为废物处置。

铂化合物造成的环境污染需要专业修复。金属铂对环境无害,但可溶性铂化合物可能在生态系统中积累并影响野生动物。

快速解答

铂:常见问题

铂是什么?

铂(符号Pt)是元素周期表中的第78号元素,属于6周期10族的过渡金属。 催化剂金属:铂能让原本需要不可能条件的反应发生。 在室温下为固态。

铂的电子排布是什么?

铂的基态电子排布为[Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s¹,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 32, 17, 1。

铂的熔点和沸点是多少?

铂在2041.4 K(1768.3 °C)熔化,在4098 K(3824.9 °C)沸腾。 因此它属于最耐高温的元素之列——在能使大多数金属汽化的温度下,它仍保持固态。

铂的原子量是多少?

铂的标准原子量为195.084 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

铂的密度是多少?

铂的密度为21.45 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铂块约重21.5倍。

铂的电负性是多少?

铂的鲍林电负性为2.28。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了铂,是在什么时候?

铂由Antonio de Ulloa于1735年发现。 它以西班牙语 platina,“小银”命名。

铂在地球上有多常见?

铂约占地壳的0.005 mg/kg——确实很稀有,因此价格昂贵。