فرادرسفلزات نجیب و خواص آنها — به زبان ساده
در علم شیمی، فلزات نجیب به فلزاتی می‌گویند که در برابر خوردگی و اکسیداسیون، بویژه در هوای مرطوب، مقاوم باشند. آن‌چه که در این مطلب قصد داریم به آن بپردازیم، ارائه فهرستی از فلزات نجیب و بررسی کاربردهای مختلف هشت فلز نجیب و خطرات زیست‌محیطی آنها است.
مقدمه
در فهرست زیر، نام تمامی فلزات نجیب آورده شده است و همانطور که در بالا ذکر شد، از جمله ویژگی‌های این فلزات را باید مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی دانست. در ادامه، لیست هشت فلز نجیب آورده شده است:
- روتنیم (Ru)
- رودیم (Rh)
- پالادیوم (Pd)
- نقره (Ag)
- اسمیم (Os)
- ایریدیوم (Ir)
- پلاتین (Pt)
- طلا (Au)
البته در برخی موارد، عناصری همچون جیوه، مس و رنیوم (Rhenium) را نیز به عنوان فلزات نجیب مطرح می‌کنند. با وجود این‌که فلزاتی همچون تیتانیوم، نیوبیوم و «تانتال» (Tantalum)، مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند اما به عنوان فلزات نجیب شناخته نمی‌شوند.
فلزات نجیب و فلزات گرانبها
با وجود این‌که فلزات نجیب به دلیل فراوانی کم در پوسته زمین و بکارگیری آنها در مهندسی مواد، فناوری‌های پیشرفته، جواهرسازی و سازه‌های هنری، فلزات ارزشمندی محسوب می‌شوند اما واژه «فلزات نجیب» (Noble Metals) با «فلزات گرانبها» (Precious Metals) تفاوت دارد. واژه فلزات نجیب از قرن ۱۴ میلادی کاربرد داشته و در زمینه‌های مختلف، با معانی مختلفی بکار گرفته شده است. تعریف دقیق و سخت‌گیرانه فلزات نجیب را تنها می‌توان در فیزیک اتمی پیدا کرد که تنها شامل سه عنصر مس، نقره و طلا است زیرا همگی دارای زیرلایه d پرشده (کامل پرشده) هستند. به همین دلیل در منابع مختلف، فهرست‌های متفاوتی از فلزات نجیب یافت می‌شود.
بکارگیری واژه نجیب در شیمی
در بسیاری از موارد، از واژه نجیب به غیر از شرایط ذکر شده استفاده می‌شود. به طور مثال، «سری‌های گالوانی» (Galvanic Series) شامل فهرستی از فلزات از نجیب تا فعال است که برای پیش‌بینی نحوه برهم‌کنش مواد در محیط و فعالیت نسبی فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این حالت، گرافیت، نجیب‌تر از نقره است.
فیزیک فلزات نجیب
در علم فیزیک، همانطور که گفته شد، تعریف سخت‌گیرانه‌ای برای فلزات نجیب وجود دارد. در این تعریف، زیرلایه یا باند d ساختار الکترونی، به طور کامل پر شده است. از این نگاه، تنها مس، نقره و طلا به عنوان فلز نجیب شناخته می‌شوند.
فلزات نجیب در جدول تناوبی
بعد از معرفی هشت فلز نجیب، در ادامه قصد داریم تا در خصوص این فلزات و محل آنها در جدول تناوبی به ویژه گروه پلاتین، به بحث بپردازیم.
گروه پلاتین
فلزات گروه پلاتین که با نام PGMs شناخته می‌شوند، شامل شش فلز روتنیم، اسمیم، رودیم، ایریدیوم، پالادیوم و پلاتین و همگی جزو فلزات نجیب هستند. این فلزات، همگی در دسته d و فلزات واسطه قرار دارند و گروه‌های ۸،۹،۱۰ و تناوب‌های پنج و ششم جدول تناوبی را تشکیل می‌دهند.
تاریخچه گروه پلاتین
پلاتین و آلیاژهای غنی از پلاتین، از زمان‌های گذشته شناخته شده بودند. در متون علمی قرن شانزدهم ایتالیا و زمان کشف معادن مرکزی آمریکا، به آن اشاره شده است. نام پلاتین، ریشه‌ای اسپانیایی به معنای «کمی شامل نقره» دارد و به عنوان ناخالصی موجود در معادن نقره از آن یاد می‌شود.
تولید فلزات شامل گروه پلاتین
تولید فلزات گروه پلاتین به طور معمول از پسماند تولید سایر فلزات به همراه مخلوطی از چند فلز آغاز می‌شود. خالص‌سازی این فرآیند به کمک پسماند آند در فرآیند تولید طلا، مس و نیکل انجام می‌گیرد. تمامی این فرآیندها به انرژی زیادی نیاز دارند که به لحاظ زیست محیطی توجه دوست‌داران محیط زیست را به خود جلب می‌کنند.
روش‌های خالص‌سازی این فلزات به طور معمول از اختلاف واکنش‌پذیری و انحلال‌پذیری ترکیبات مختلف فلزی به هنگام استخراج بهره می‌گیرند که این روش‌ها در نهایت موجب پیشرفت‌هایی در خصوص روش‌های استخراج از حلال شده است.
جداسازی با انحلال نمونه شروع می‌شود. اگر از حلال «تیزاب سلطانی» (Aqua Regia) استفاده شود، کمپلکس‌های کلرید به تولید می‌رسند. بسته به جزییات فرآیند، فلزات گروه پلاتین به صورت ترکیبات زیر بدست می‌آیند.
- $$\begin {equation} \left (\mathrm {N H }_{4} \right)_{2} \mathrm {IrCl}_{6}\end{equation}$$
- $$\begin {equation} \left ( \mathrm {N H} _{4}\right)_{2} \mathrm {Pt Cl}_ {6}\end {equation}$$
- $$\begin {equation} \mathrm {Pd Cl}_{2}\left(\mathrm {N H } _ {3}\right) _ { 2 } \end {equation}$$
- $$O s O_4$$
- $$RuO_4$$
- $$\begin {equation} \left [\mathrm{RhCl} \left (\mathrm {N H}_ {3} \right)_ {5} \right] \mathrm {C l }_{2} \end {equation}$$
تولید فلزات در راکتورهای هسته‌ای
مقادیر زیادی از فلزات سبک‌تر گروه پلاتین شامل روتنیم، رودیم و پالادیوم را می‌توان در راکتورهای هسته‌ای به تولید رساند. با توجه به تقاضای بالای این فلز، تولید آن به کمک راکتورهای هسته‌ای به عنوان منبعی جایگزین برای تامین آن شناخته می‌شود. همچنین، مطالعات مختلفی بر روی بازیافت سوخت‌های هسته‌ای و تولید فلزات نجیب از این مواد انجام گرفته است. تصویر زیر، محل گروه پلاتین و سایر فلزات نجیب را در جدول تناوبی نشان می‌دهد.
مشکلات زیست محیطی گروه پلاتین
در گذشته فرض بر این بود که فلزات نجیب گروه پلاتین، در مقایسه با خواص ویژه و کاهش انتشار گازهای سمی از اگزوز خودروها، خطرات کمی برای محیط زیست داشته باشند. با وجود تمام فوایدی که استفاده از فلز پلاتین دارد، اثرات مخرب آن در آینده نیز باید مد نظر قرار بگیرد. به طور مثال، پلاتین را به عنوان فلزی واکنش‌ناپذیر و غیرحساسیت‌زا می‌شناسند. بنابراین، زمانی که این فلز در شکل‌های اکسید و فلزی، از اگزوز خودروها انتشار پیدا کند، ماده‌ای بی‌خطر به شمار می‌آید.
با این وجود، پلاتین قابلیت انحلال در غبار جاده‌ها را دارد و با ورود به منابع آبی و آب‌های زیرزمینی، در بدن موجودات زنده تجمع پیدا می‌کند. چنین تاثیراتی، پیش‌تر در رابطه با فلزات نجیب گروه پلاتین در نظر گرفته نشده بود. با گذشت زمان و تجمع این فلزات در محیط زیست، آثار مخرب آنٰ‌ها بیش از پیش مورد توجه قرار می‌گیرند. با توجه به افزایش خودروها و وجود این فلزات در کاتالیزور آنها، نیاز به مطالعه بیش‌تر در این خصوص احساس می‌شود.
از جمله خطرات دیگر پلاتین، قرار گرفتن در معرض نمک‌های هالوژنه پلاتین است. این اتفاق منجر به بروز حساسیت‌های پوستی و تنفسی می‌شود. چنین خطراتی را می‌توان در صنایع تولیدی کاتالیزورها و در میان کارگران این صنایع مشاهده کرد. کارگرانی که از این محیط‌ها دور شدند، اثرات طولانی مدتی را از خود نشان ندادند. با این وجود، قرارگیری دائم در معرض این ماده می‌تواند برای سلامتی، زیانبار باشد.
کاربرد فلزات نجیب
به طور کلی، فلزات نجیب در جواهرسازی، ضرب سکه، لوازم برقی، ساخت پوشش‌های محافظ و به عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار می‌گیرند. بکارگیری دقیق این فلزات، در هر عنصر نسبت به دیگری متفاوت است. در بیش‌تر موارد نیز چنین فلزاتی همگی گرانقیمت هستند.
پلاتین، طلا، نقره و پالادیوم
این فلزات به صورت شمش تولید می‌شوند و آنها را در جواهرسازی و ضرب سکه بکار می‌گیرند. از این مواد، بویژه نقره، در پزشکی نیز استفاده می‌شود چراکه خواصی آنتی‌باکتریال دارد. با توجه به قابلیت هدایت الکتریکی این فلزات نجیب از آنها برای ساخت اتصالات و الکترودها بهره می‌گیرند. همچنین، پلاتین از جمله بهترین کاتالیزورها به شمار می‌آید. از پالادیوم نیز در دندانپزشکی، ساعت‌های مچی، شمع خودرو و تجهیزات جراحی استفاده می‌شود. علاوه بر این، بهره‌گیری از این فلز در واکنش‌های کاتالیستی نیز رواج دارد.
رودیم
برای افزایش خاصیت درخشان و براق فلز، رودیم را از طریق فرآیند آبکاری فلزات به صورت یک پوشش بر روی پلاتین، نقره استرلینگ و طلای سفید قرار می‌دهند. همچنین، از این فلز در صنایع شیمیایی و خودروسازی به عنوان کاتالیزور استفاده می‌کنند. علاوه بر این، در آشکارسازهای نوترونی نیز از این فلز نجیب کمک می‌گیرند.
روتنیم
از روتنیم برای تقویت سایر آلیاژها استفاده می‌کنند. این آلیاژها معمولا شامل سایر فلزات نجیب هستند. به عنوان کاتالیزور و همچنین در ساخت اتصالات الکتریکی و نوک خودنویس از این فلز بهره می‌گیرند.
ایریدیوم
با توجه به این‌که هر دو فلز ایریدیوم و روتنیم، به عنوان فلز سخت شناخته می‌شوند، کاربردهای یکسانی نیز برای این دو فلز در نظر می‌گیرند. از این فلز در شمع‌‌های جرقه‌زن، الکترودها، بوته‌های آهنگری و نوک قلم‌های خطاطی استفاده می‌شود. علاوه بر این، کاتالیزور و ماده‌ای مناسب در ساخت قطعات ظریف به شمار می‌آید.
