Platyna i jej stopy Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej V rok, MiTI Kraków, 26.11.2010r.

Marcel Słabosz Kamil Wąchała Kamil Sępek Prelegenci 1 2 3 Kolejne części zostaną zaprezentowane kolejno przez:

Agenda właściwości platyny historia znaczenie dla organizmu człowieka formy występowania w przyrodzie złoża samodzielne wydobycie kopalnie rudy platyny na świecie wzbogacanie metody otrzymywania metody rafinacji stopy platyny wykresy fazowe wykorzystanie bibliografia W naszej prezentacji poruszymy takie aspekty jak:

Właściwości platyny Gęstość: 21090 [kg/m3] http://www.redbor.pl/mineraly/0_pierwiastki.htm www.rynekjubilerski.pl/ Kilka podstawowych właściwości czystej platyny. Platyna posiada bardzo wysoką temperaturę topnienia oraz dużą gęstość. Czysta platyna jest również miększa od czystego żelaza, które jak wiemy w czystej postaci samo w sobie nie jest twarde. Gęstość: 21090 [kg/m3] Temperatura topnienia: 2041 [K] Temperatura wrzenia: 4098 [K ] Prędkość dźwięku (warunki normalne): 2680 [m/s] Przewodność cieplna: 71,6 [W/(m·K)] Konduktywność: 9,66×106 [S/m]

Historia Znana Indianom w czasach prekolumbijskich Znana na dalekim wschodzie od wczesnych lat naszej ery Początek łącznych statystyk górniczych dla platynowców: 1860r. Zastosowanie przemysłowe: pierwsza połowa XIX wieku. Początkowo używana przy biciu monet (carska Rosja) http://www.zlotasztabka.pl Talerz platynowy (replika) http://www.aztecfasion.com

Znaczenie dla organizmu człowieka Jeden z ultraelementów (kilka μg na gram masy ciała) Wykazuje własności bakteriobójcze (ale słabsze niż srebro) Nadaje się do pokrywania protez (bioobojętność) Stosowana do wypełniania ubytków w zębach, kościach Aktywator enzymów metabolicznych (brak badań potwierdzających)

Formy występowania w przyrodzie Średnia zawartość w skałach – 5 ppb Skały ultra-zasadowe Złoża nikiel-miedź Skały osadzone w środowisku anoksycznym 96 minerałów uznanych przez IMA Obecnie pozyskiwane głównie z złóż nikiel-miedź i z złóż samodzielnych Złoże likwacyjne http://geologia.fora.pl

Złoża samodzielne Likwacyjne Komatitowe Norylskie Segregacyjno – magmowe: pokładowe siarczków pokładowe chromitów niezgodne (inekcyjno – szlirowe) Okruchowe Złoże Segregacyjno-magmowe http://geologia.fora.pl

Wydobycie Kilkanaście kopalń rud platynowców Większość w Republice Południowej Afryki Średnia powierzchnia: 100 [km2] Średnia głębokość: 1200 [m] Maksymalna głębokość: ok. 2000 [m] Zubożenie urobku: ok. 25% Dodatkowo: ok. 20 kopalni rud Ni-Cu kilkadziesiąt kopalni rud miedzi 9-10 kopalni rud złota

Kopalnie rud platyny na świecie Źródło: Rudy metali nieżelaznych i szlachetnych; Andrzej Paulo, Bożena Strzelska- Smakowska; Wydoawnictwo AGH; 2000; str.247

Wzbogacanie Nieskonsolidowane piaski Muły platynośne Wzbogacanie grawitacyjnie Koncentrat szlichowy Rafinacja

Wzbogacanie Wzbogacanie grawitacyjnie Flotacja Rudy zwięzłe Piec elektryczny Mata zielona Koncentrat Flotacyjny Konwertor tlenowy Mata biała Rafinacja

Metody Otrzymywania Rafinacja platyny z pisaków Rafinacja platyny z dodatkiem platynowców Rafinacja platyny z dodatkiem metali szlachetnych

chloroplatynian amonowy Rafinacja platyny Platyna z piasków Gorąca woda królewska Suszenie Prażenie dymy salmiaku NH4Cl salmiak Gąbka (NH4)2PtCl6 chloroplatynian amonowy Topienie w tygielu Platyna

Rafinacja platyny z dodatkiem platynowców Topienie platyny z dodatkiem ołowiu Prażenie prze 4-5 godzin w 1000oC Granulacja przez odlew do wody Działanie rozcieńczonym kwasem azotowym na granulat Działanie wodą królewską na nierozpuszczone platynowce Dodatek chlorku sodu Wytrącenie rodu mrówczanem sodowym Dalsza część procesu identyczna jak wcześniej

Rafinacja platyny z dodatkiem metali szlachetnych stop złoto-platyna Gorąca woda królewska Kwas szczawiowy NH4Cl salmiak dalsza część rafinacji (jak wyżej)

Rafinacja platyny z dodatkiem metali szlachetnych stop potrójny Au–Ag-Pt Stężony kwas siarkowy Inkwartacja Szlam + wytrącone srebro Granulacja Przesączenie dalsza część rafinacji (jak wyżej) Gorąca woda królewska

Stopy z pierwiastkami (1) ruten Tiffany (skład: 95% Pt, 5% Ru) właściwości dobra twardość - 135 Vickers’a wytrzymałość na rozciąganie – 66000 psi (455MPa) plastyczność: dobra ciągliwość: dobra lejność: słaba niemagnetyczny Platyna tworząc związki z innymi platynowcami polepsza swoje właściwości. Stop o składzie 95:5 posiada znacznie większą wytrzymałość na rozciąganie niż czysta platyna (142MPa). styki elektryczne, biżuteria.

Stopy z pierwiastkami (2) rod PtRh10Y0,3 Znajdują zastosowanie w przemyśle szklarskim przedłużenie trwałości eksploatacyjnej narzędzi do rozwłókniania ciekłego szkła PtRh10 modyfikowany borem do zastosowań w przemyśle azbestowym pozwala na podniesienie temperatury procesu katalitycznego utleniania amoniaku: zwiększa efektywność zmniejsza emisję N2O Stopy te mają zastosowanie hutnictwie szkła, ponieważ mają wysoką temperaturę topnienia i są twarde, w technice stosowane przede wszystkim jako katalizatory w procesach utleniania amoniaku. Drugim bardzo częstym ich zastosowaniem jest użycie stopu platyny z rodem w postaci drutu na jeden z elementów termoelementów – Pt-PtRh. przewody termoogniw, uzwojenie pieców elektrycznych, składniki w przemyśle szklarskim, gaza katalityczna, dysze przędzalnicze.

Stopy z pierwiastkami (3) Iryd (skład: 90% Pt, 10% Ir) właściwości skrawalność: dobra dobra twardość HB = 265 kG/mm2 (40%) 110 Vickers’a wytrzymałość na rozciąganie – 55000 psi (379MPa) ciągliwość: Bardzo dobra lejność: dobra niemagnetyczny odporny na gorącą wodę królewską (25-30%) Stosuje się przede wszystkim do wyrobu narzędzi do pracowni chemicznych, na styki w elektrotechnice ale również na elementy birzuterii. styki elektryczne, biżuteria, igły do wstrzyknięć podskórnych.

Stopy z pierwiastkami (4) Związki z innymi pierwiastkami: pallad osm kobalt Cyrkon: PtZr0,5 podwyższenie żarowytrzymałości TiC: Pt0,4TiC Kobalt: magnesy stałe.

Chlorek platyny (II), PtCl2 Chlorki Platyny Chlorek platyny (II), PtCl2 Pt2+ + 2Cl-  PtCl2 używany jako katalizator Chlorek platyny (IV), PtCl4 Pt4+ + 4Cl-  PtCl4 występuje w postaci brązowego proszku lub żółtego roztworu jest on stosowany jako odczynnik chemiczne

Tlenek platyny (II), PtO Tlenki platyny Tlenek platyny (II), PtO Pt2+ + O2-  PtO jest proszkiem o barwie fioletowej lub czarniawej Tlenek platyny (IV), PtO2 Pt4+ + 2O2-  PtO2 Tlenek platyny (II, IV), Pt3O4 2Pt2+ + Pt4+ + 4O2-  Pt3O4 Tlenek platyny (III), Pt2O3 2Pt3+ + 3O2-  Pt2O3 Tlenek platyny (VI),PtO3 Pt6+ + 3O2-  PtO3

Wykres fazowy Au-Pt Liquid + α α2 α1 α1 + α2 Złoto - Platyna 1769°C Stopy układu platyna-złoto krzepną jako roztwory stałe ciągłe z oddalonymi od siebie liniami solidus i likwidus. W układzie występuje tylko jedna stabilna struktura (Au, Pt) o strukturze fcc (regularny ściennie centrowany) (ang. face-centered cubic) Poniżej temperatury ok. 1260*C stopy o zawartości 40% Au o sąsiednie wykazują mieszaninę dwóch stałych α1 i α2 będących z sobą w równowadze. Stopy te w temperaturze ok. 980*C wykazują zdolność do uporządkowania atomów w sieci, tworząc nadstrukturę odpowiadającą PtAu3. 1260°C, 61% Pt Złoto - Platyna

Wykres fazowy Ni-Pt Nikiel - Platyna Stopy układu platyna-nikiel krzepną jako roztwory stałe ciągłe z małą różnicą temperatur między solidusem i likwidusem od strony platyny, która prawie zanika od strony niklu. W układzie tym występują trzy nadstruktury odpowiadające wzorom Ni3Pt i NiPt i NiPt3. Od strony niklu występuje również przemiana magnetyczna (punkt Curie) Ni – regularny ściennie centrowany cF4 Pt – regularny ściennie centrowany cF4 Ni3Pt – jednoskośny prymitywny cP4 NiPt – tetragonalny prymitywny tP4 Przemiana magnetyczna Nikiel - Platyna

Wykres Fazowy: Ag-Pt Srebro - Platyna 1063°C 1773°C 1185° α (Pt) Pt3Ag Stopy układu platyna-srebro krzepną jako stopy perytektyczne, przy czym perytektyka (kryształy roztworu stałego α (Ag) powstają na skutek krzepnięcia perytektycznego roztworu ciekłego o zawartośći ok. 31% platyny, działającego na roztrór stały o zawartości ok. 14% Ag. Kryształy perytektyczne zawierają ok. 55% Pt. W stanie stałym w temperaturze 965*C stopy o składzie PtAg3, tworzą nadstrukturę α1 (Ag), która w temperaturze 900*C tworzy eutektoid α’ (Ag)+α(Pt) Nadstruktura α’ (Ag) w temperaturze 785*C przechodzi przemianę na α”(Ag). W temperaturze 740*C eutektoid α’(Ag) + α(Pt) tworzy perytektoid odpowiadający fazie międzymetalicznej PtAg (β). W temperaturze 700*C tworzy się jeszcze jedna faza Pt3Ag(γ’). Rozpuszczalnosć srebra w platynie, która w temperaturze 1185*c wynosi ok. 14% w miarę obniżania temperatury maleje i w temperaturze 900*C wynosi ok. 10% Ag, w temperaturze 740*C wynosi ok. 9% Ag, a w temperaturze otoczenia ok. 1% Ag. Rozpuszczalnosć platyny w srebrze w temperaturze perytektycznej wynosi ok. 55% Pt, w tempraturze nieco powyżej 900*C – ok. 15% Pt, w temperaturze 800*C – ok. 6% Pt, a w temperaturze 550*C spada do zera. Srebro - Platyna

Wykres Fazowy Al-Ni-Pt Al-Ni-Pt w temperaturze 1150°C [2005Hay]

Wykresy fazowe: Al-Pt, Co-Pt Stopy układu platyna-kobalt krzepną jako roztwory stałe ciągłe z bardzo małą różniką temperatur między solidus a likwidus. W układzie tym występują dwie nadstruktury odpowiadające wzorom CoPt (max w temp 825*C) i CoPt3 (max 750*C). Od strony kobaltu występują po za tym przemiana magnetyczna (punkt Curie) oraz przemiana fazowa. Glin - Platyna Kobalt - Platyna

Wykres fazowy Pt-Sn, Ti-Pt Platyna - Cyna Tytan - Platyna

Wykresy fazowe: Ga-Pt, Pt-V Gal - Platyna Platyna - Wanad

Wykresy fazowe: In-Pt, Ge-Pt Ind - Platyna German - Platyna

Wykresy fazowe: Fe-Pt, Pt-Zr Żelazo - Platyna Wanad - Cyrkon

Wykorzystanie (1) medycyna: jubilerstwo galwanizacja ogniwa paliwowe Zwalczanie komórek rakowych: fluorek platyny cisplatyna karboplatyna technika dentystyczna instrumenty chirurgiczne Protezy, implanty jubilerstwo galwanizacja ogniwa paliwowe Cisplatyna – nieorganiczny związek chemiczny platyny, o dziłaniu cytostatycznym. Stosowany jest jako lek w chemioterapii kilku rodzajów raka: rak jądra rak płuca rak pęcherza moczowego rak jajnika rak szyjki macicy i rak trzonu macicy nowotwory w obrębie głowy i szyi czerniak złośliwy mięsaki rak kory nadnerczy W technice dentystycznej jest używany do wykonywania wypełnień ubytków zębów. W jubilerstwie do produkcji opraw i szyn dla biżuterii z kamieniami szlachetnym Może być używany do tworzenia powierzchni ochronnych ze względu na brak oddziaływania z innymi związkami. W produkcji ogniw paliwowych wykorzystywany do produkcji elektrod

Wykorzystanie (2) motoryzacja elektronika Magnesy trwałe katalizatory w silnikach Diesla w formie rozdrobnionej, następnie lekko nadtopiona tworzy strukturę gąbczastą elementy świec zapłonowych elektronika czujniki narażone na wysokie temperatury termopary styki elektryczne Kondensatory Magnesy trwałe W motoryzacji znajduje zastosowanie w: katalizatorach do silników na olej napędowy rdzenie świec zapłonowych W elektronice i elektrotechnice ze względu na wysoką twardość używany do styków elektrycznych. Wykorzystywany również do produkcji termopar Pt-PtRh oraz kondensatorów Znajduje również zastosowanie w produkcji Magnesów trwałych.

Bibliografia Leszek A. Dobrzański: „Metalowe materiały inżynierskie” Kornel Wesołowski: „Metaloznawstwo: Metale nieżelazne i ich stopy” V. Raghavan: „Al-Ni-Pt (Aluminum-Nickel- Platinum)” http://en.wikipedia.org/wiki/Platinum http://www.springerlink.com/