铂系元素包括ⅧB族中的钌、铑、钯和锇、铱、铂六个元素。根据它们的密度,钌、铑和钯约为12g/cm3,称轻铂系金属;锇、铱和铂的密度约为22g/cm3,称重铂系金属。但由于这二组元素在性质上有很多相似之处,并且在自然界里也常共生而存在,因此统称为铂系元素。自然界中含铂系金属的矿物大多属于天然元素类型的矿物,最重要的矿物是天然铂矿和锇铱矿。前者以铂为主要成分,还有其它铂系金属共生在一起;后者除有锇和铱外,也含有钌和铑等。
铂系元素的基本性质如表22-2所列。
表22-2 铂系元素的基本性质
性质 | 钌 | 铑 | 钯 | 锇 | 铱 | 铂 |
符号 | Ru | Rh | Pd | Os | Ir | Pt |
原子序数 | 44 | 45 | 46 | 76 | 77 | 78 |
价电子层结构 | 4d75s1 | 4d85s1 | 4d105s0 | 5d66s2 | 5d76s2 | 4d96s1 |
主要氧化态 | +Ⅱ、+Ⅳ、+Ⅵ、+Ⅶ、Ⅷ | +Ⅲ、+Ⅳ | +Ⅱ、+Ⅳ | +Ⅱ、+Ⅲ、+Ⅳ | +Ⅲ、+Ⅳ、+Ⅵ | +Ⅱ、+Ⅳ |
原子量 | 101.07 | 102.9 | 106.4 | 109.2 | 192.2 | 195.1 |
原子半径/pm(金属半径) | 132.5 | 134.5 | 137.6 | 134 | 135.7 | 138 |
M2+离子半径/pm | — | — | 80 | — | — | 80 |
电离势/(kJ·mol-1) | 716 | 724 | 809 | 842 | 885 | 868.4 |
电负性 | 2.2 | 2.28 | 2.2 | 2.2 | 2.20 | 2.28 |
E°/V M2++2e- ⇋M |
0.45 | 0.6 | 0.987 | 0.85 | 1.0 | ~1.2 |
密度/(g·cm-3) | 12.41 | 12.41 | 12.02 | 22.57 | 22.42(290K) | 21.45 |
熔点/K | 2583 | 2239±3 | 1825 | 3318±30 | 2683 | 2045 |
沸点/K | 4173 | 4000±100 | 3413 | 5300±100 | 4403 | 4100±100 |
铂系元素除锇为蓝灰色外,其余都是银白色。它们都是难熔的金属,在毎一个三元素组中,金属的熔点从左到右逐渐降低,其中锇的熔点最高,钯的熔点最低。纯净的铂有很好的可塑性,将铂冷轧可以制得厚度为0.0025mm的箔。
铂系元素的价电子结构除Os和Ir的ns电子为2以外,其余都是1或0,这说明铂系元素原子的最外层电子有从ns层填入(n-1)d层的强烈趋势,而且这种趋势在三元素组里随原子序的增高而增强。它们的氧化态变化和铁、钴、镍相似,即每一个三元素组形成高氧化态的倾向,都是从左到右逐渐降低,重铂元素形成高氧化态的倾向比轻铂元素相应各元素大。
大多数铂系金属能吸收气体,尤其是钯吸收氢的功能特别大。催化活性高也是铂系金属的一个特性,例如,铂和钯可用作一些化学反应的催化剂。
铂系元素的化学稳定性也很高。常温下,与氧、硫、氯等非金属元素都不起作用,但在高温下就可反应。钯和铂都溶于王水,钯还可溶于浓硝酸和热硫酸中,而钌、铑、锇、铱连王水也不能使其溶解。但有氧化剂存在时,铂系金属与碱一起熔融,都可转变成可溶性化合物。
铂系金属主要应用于化学工业及电气工业方面。例如铂(俗名叫“白金”),由于它的化学稳定性很高,又能耐高温,在化学上常用它制造各种反应器皿、蒸发皿、坩埚以及电极、铂网等。但是熔化的苛性碱或过氧化钠对铂的腐蚀很严重,在高温下,它也能被碳、硫、磷等还原性物质所侵蚀,因此使用铂器皿时应该遵守一定的操作规则。
铂和铂铑合金的热电偶常用来测定1473~2023K范围内的温度。铂铱的合金可制长度和质量的标准器,如保存在法国巴黎的国际米尺标准,就是用含有90%铂及10%铱的合金做成的。锇铱的合金可以用来制造一些仪器(如指南针)的主要另件以及自来水笔的笔尖。