惰性金屬

(重定向自抗腐蚀金属

貴金屬(英語:Noble metal),又称惰性金属,是一類活性較低,室溫下抗氧化和耐腐蚀能力极强的金属,在自然界中通常能以游離態穩定存在(稱自然金屬英语Native metals),且在地壳中含量稀少。一般認定的貴金屬包括和六個鉑族元素,其中金、銀、鉑、鈀又被稱為貴重金屬(英語:Precious metal,中文亦常譯作貴金屬),在國際上被認可為期貨期權ETF的交易資產,各有其專屬的ISO 4217貨幣代碼。此外,有些學者把等也算作貴金属的一員。另一方面,並非所有耐腐蝕金屬都被認為是貴金屬。例如等雖然都具有極佳的耐腐蝕能力,但它們並未被歸類為貴金屬。[1]

貴金屬,以及被視為準貴金屬的單質。排序按照它們在元素週期表的位置。

貴金属不和常見的起反应,但有些貴金属如鈀、銀、鉑、金等会溶于王水。按標準電極電勢排列,貴金属排列靠前,說明抵抗腐蚀能力较强。从原子结构來看,貴金属原子的外层电子数基本饱和,所以不易和其他元素化合,但铂有d軌域电子层跨越费米能级,因此会有不稳定的化学反应,可以作为催化剂使用。用超真空清洗貴金属会发现很容易清洗干净,并能长期保持清洁,但例如铂清洗后会立即吸附一层一氧化碳

定義 编辑

 

元素週期表中貴金屬元素的位置:
 7  總是被視為貴金屬:(Ru)、(Rh)、(Pd)、(Os)、(Ir)、(Pt)、(Au)[2]
 1  通常被當作貴金屬:(Ag)[3]
 3  有時被歸為貴金屬:(Re)、(Cu)、(Hg)[4]
 5  在某些條件下符合貴金屬的定義:(Tc)、(As)、(Sb)、(Bi)、(Po)

「貴金屬」最普遍的定義範疇即是表中黑框內的八個元素,其中由於反應性英语Reactivity (chemistry)相對較高而有時不被認為是貴金屬。[5]
註:
標有*的元素表示其可能會在潮濕空氣中失去光澤或被含氧化劑酸性溶液腐蝕
標有†的元素表示其會被硫化氫腐蝕
標有§的元素表示其會被自身釋放的游離輻射產生的臭氧所腐蝕

雖然不同文獻中所定義的貴金屬種類可能不盡相同,但往往包括和六種鉑族金屬[2],而其他候選元素在週期表中也大多處在與標準貴金屬鄰近的位置。由於的化學活潑性較低,而在地殼中的稀有程度和黃金及鉑族金屬相當,故它們有時亦被列為貴金屬[4],但它們在自然界中大多以與等元素結合的化合態存在,而較少以游離態單質存在,且銅在地殼中的豐度頗高。

在個別的學術及產業領域中,被視為貴金屬的元素數量可能更少或更多。在物理學中,“noble metal”一詞通常僅專指11族的銅、銀和金三個元素[6][7],因為它們的原子的d軌域全滿而較為「惰性」,而其他貴金屬(尤其是鉑族金屬)則因d軌域非全滿而具有顯著的催化性能。在牙科領域,銀通常不被視為貴金屬,因為它在口腔環境中會被腐蝕。[8]在化學中,noble metal一詞有時更廣泛地被用於指稱任何不與弱酸反應並釋放氫氣的金屬或類金屬元素,此時其定義範圍將擴大至、錸、銅、汞、,以及前述的金、銀和鉑族金屬,儘管屬於類金屬的砷、銻和具有放射性的鎝、釙極少被視為貴金屬。

科學家根據計算出的屬性預測原子序介於108(𨭆)至116()的超重元素可能具有一些非常「貴金屬性」的特質。當前的實驗結果已證明𨭆表現出的化學性質與其較輕的同族元素英语Congener (chemistry)相似,而在針對的初步化學實驗中它們也表現出部分較為惰性的化學性質,其中鎶的一些屬性似乎類似於其較輕同族元素[9][10]然而,由於這些人造元素放射性極強、原子核極為不穩定,它們幾乎從來都不被納入貴金屬的範疇中。

特性 编辑

地球化學性質 编辑

 
地球的上層大陸地殼中元素的相對豐度。可以發現豐度最低的元素主要為親鐵的貴金屬(圖中符號為紫色者即為貴金屬元素),它們大多隨著沉降到地核深處,從而在地殼中極端稀有。至於由於容易形成揮發性氫化物並逸散到太空中,因此在地殼中的稀有度可媲美貴金屬。

貴金屬中除之外皆為高度親鐵英语Goldschmidt classification的元素[7],它們在地球形成之初大多以固溶體或熔融態的形式溶解在中,並和鐵、等沉入地核,因此在地殼中含量極端稀少,它們在含有大量鐵和鎳的流星體中的豐度反而相對較高(是最著名的例子)。[11]大多數親鐵元素對親和性較低,其中金的氧化物甚至在熱力學上是不穩定的。

由於具有較低的化學活性和六種鉑族金屬是唯一在自然界中大量存在的自然金屬英语Native metals[來源請求]

耐腐蝕性 编辑

和其他金屬元素相比,貴金屬單質的反應性較低,不易被多數酸或鹼侵蝕。而其他耐腐蝕金屬如等大多是靠表面鈍化形成的緻密氧化膜來抵禦腐蝕,本身其實是相當活潑的金屬。

釕不溶於王水(濃鹽酸和濃硝酸混合物)和其他酸,在無氧環境下也很耐鹼,但會和有氧化劑共存的鹼反應。銠不溶於硝酸等酸類,塊狀時不受王水侵蝕,一定要在細粉末狀態下,才能與王水發生反應。鈀是鉑族中最具化學活性的元素,可溶於熱濃硝酸、熱濃硫酸和含氧化劑的鹽酸等。銀不和高溫下的碱性氫氧化物反應,但可溶於硝酸和熱濃硫酸等。[7][12]

錸在反應性上缺乏貴金屬性質,雖然不受單一氫鹵酸侵蝕,但若和氧化劑共存則會迅速反應,錸也易溶於硝酸、雙氧水溴水等。鋨在常溫下不易被王水等酸類侵蝕,但可溶於熱濃硫酸和熱濃硝酸。銥在環境條件下呈化學惰性英语Chemically inert,不被王水等酸類及氫氧化鹼侵蝕。[13]鉑不溶於單一酸,但易溶於王水和有氧化劑共存的鹽酸等。金不與單獨的氫鹵酸、硫酸、硝酸等酸反應,也不溶於無氧化劑共存的鹼,但可溶於王水和硒酸等。[7][14]

催化性能 编辑

貴金屬元素對許多化學反應具有高度的催化活性和高選擇性,因此工業上的氫化脫氫異構化環化聚合氧化等反應中廣泛使用貴金屬作為催化劑[7]此外汽車催化轉換器中使用鉑、鈀和銠作為催化劑,可將汽車引擎產生的有害廢氣(如碳氫化合物氮氧化物一氧化碳等)轉化為對人體無害的氣體(如氮氣氧氣二氧化碳等)。[15]

另見 编辑

參考文獻 编辑

  1. ^ Anne Marie Helmenstine, Ph.D. What Are Noble Metals and Which Are They?. ThoughtCo. 2019-12-02 [2023-04-26]. (原始内容存档于2023-03-15) (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 Balcerzak, M. Noble Metals, Analytical Chemistry of. Encyclopedia of Analytical Chemistry: Applications, Theory and Instrumentation. Wiley Online Library. 2021. doi:10.1002/9780470027318.a2411.pub3. 
  3. ^ Schlamp, G. Noble metals and noble metal alloys. Warlimont, H; Martienssen, W (编). Springer Handbook of Materials Data. Cham: Springer. 2018. doi:10.1007/978-3-319-69743-7_14. 
  4. ^ 4.0 4.1 Kepp, KP. Chemical causes of nobility. ChemPhysChem. 2020, 21: 360–369. doi:10.1002/cphc.202000013. 
  5. ^ Rayner-Canham, G. Organizing the transition metals. Scerri, E; Restrepo, G (编). Mendeleev to Oganesson: A multidisciplinary perspective on the periodic table. Oxford University. 2018: 195–205. ISBN 978-0-190-668532. 
  6. ^ Harrison WA 1989, Electronic structure and the properties of solids: The physics of the chemical bond, Dover Publications, p. 520
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 賴耿陽 (编). 貴金屬元素化學與應用. 中華民國: 復漢出版社. 1992-04 [2023-09-09]. (原始内容存档于2023-09-08) (中文(臺灣)). 
  8. ^ Powers, JM; Wataha, JE. Dental materials: Properties and manipulation 10th. St Louis: Elsevier Health Sciences. 2013: 134. ISBN 9780323291507. 
  9. ^ Nagame, Yuichiro; Kratz, Jens Volker; Matthias, Schädel. Chemical studies of elements with Z ≥ 104 in liquid phase. Nuclear Physics A. December 2015, 944: 614–639 [2023-04-26]. Bibcode:2015NuPhA.944..614N. doi:10.1016/j.nuclphysa.2015.07.013. (原始内容存档于2022-12-12). 
  10. ^ Mewes, J.-M.; Smits, O. R.; Kresse, G.; Schwerdtfeger, P. Copernicium is a Relativistic Noble Liquid. Angewandte Chemie International Edition. 2019, 58 (50): 17964–17968. PMC 6916354 . PMID 31596013. doi:10.1002/anie.201906966 . 
  11. ^ Richard J. Walker (2014), "Siderophile element constraints on the origin of the Moon"页面存档备份,存于互联网档案馆), Philosophical Transactions of the Royal Society A, accessed 1 December 2015.
  12. ^ W. Xing, M. Lee, Geosys. Eng. 20, 216, 2017
  13. ^ Parish RV 1977, The metallic elements, Longman, London, p. 53, 115
  14. ^ A. Holleman, N. Wiberg, "Inorganic Chemistry", Academic Press, 2001
  15. ^ Shelef, M.; Graham, G. W. Why Rhodium in Automotive Three-Way Catalysts?. Catalysis Reviews. 1994, 36 (3): 433–457. doi:10.1080/01614949408009468. 

外部链接 编辑