Platin - Entdeckung - Verwendung


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2004

34 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Geschichtliches
1.1. Erste Entdeckungen zur heterogenen Katalyse

2. Technische Verfahren der heterogenen Katalyse
2.1. Kontakt-Verfahren
2.2. Haber-Bosch Verfahren
2.3. Ostwald-Verfahren
2.3.1. Reaktion zu Salpetersäure
2.4. Andrussow-Verfahren
2.5. Platforming-Prozeß
2.6. Abgas-Katalyse

3. Platinvorkommen und Verarbeitung
3.1. Vorkommen
3.1.1. Fundstätten in Kolumbien
3.1.2. Fundstätten in Russland
3.1.3. Fundstätten in Südafrika
3.1.4. Weitere Vorkommen
3.2. Förderumfang
3.3. Gewinnung

4. Verbindungen des Platins
4.1. Toxikologie

5. Gase und Kohlenstoff in Platin

6. Literatur

7. Bildanhang

1. Geschichtliches

Im Jahre 1901 analysierte M. BERTHELOT (1) ein kleines Metallkästchen aus Theben (Ägypten) und stellte fest, dass es aus einer Legierung aus Platin, vermengt mit Iridium und Gold bestand. Anhand von Hieroglyphen auf dem Kästchen ließ es sich der Königin Shapenapit, Tochter des Königs Psamnetik I zuschreiben, die im 7. Jh. v.Chr. gelebt hat. Es ist aber anzunehmen, dass den alten Ägyptern nicht klar war, das es sich hier um Platin handelte.

Platin wurde erstmals geschichtlich erwähnt von dem italienischen Arzt und Gelehrten Julius Caesar SCALIGER im Jahre 1557. Er äußerte sich über die Definition der Metalle von Girolamo CARDANO (1501-1576), der sagte „ ein Metall ist eine Substanz, die geschmolzen werden kann, und beim Abkühlen hart wird“, in folgender Weise (2):

„solch eine Definition schließt Quecksilber und ein anderes Metall aus, welches man in den Bergwerken von Mexico und Darien (Panama) findet, und nicht im normalen Feuer schmelzbar ist.“

Bedenkt man, dass man in der Gegend von Carthagena, das am Meerbusen von Darien liegt, Platin findet, so liegt der Schluss nahe, dass SCALIGER Platin gemeint hat.

Platinvorkommen aus dieser Gegend findet man oft im sog. 'Inkagold'. Diese Gold/Platin-Legierung ist aber nicht zu verwechseln mit dem 'Tumbago', einer Legierung aus 50 % Cu, 33 % Au, 12 % Ag, welches die präkolumbianischen Inkas ebenfalls herzustellen verstanden (3).

Aber erst 200 Jahre später (1735) wurde Platin wieder entdeckt von dem spanischen Gelehrten Don Antonio de ULLOA (4), der an einer französischen Expedition teilnahm, die ihn in die Gegend von Carthagena brachte, genauer in den Distrikt Choco, Neu-Granada, dem heutigen Kolumbien. Er beschrieb das Platin als einen unbearbeitbaren metallischen Stein, der verhindert, dass man Golderze nützen könne, wenn er sich in zu großen Mengen im Golderz befinde. Man musste auf Grund dessen mehrere Goldminen aufgeben.

Interessant ist an dieser Stelle wohl, dass bis zur Entdeckung des Platin lediglich 15 Elemente bekannt waren (s. Bild 1).

Henric Theophil SCHEFFER brachte 1752 eine Veröffentlichung in den Abhandlungen der Stockholmer Akademie (5), in der er über genauere chemische Untersuchungen berichtete, mit dem Titel:

„Das weiße Gold oder siebente Metall, in Spanien Platina del Pinto, kleines Silber von Pinto genannt, seiner Natur nach beschrieben“ (die anderen sechs Metalle waren Gold, Silber, Eisen, Kupfer, Zinn, Blei. Platina ist das Diminutiv von Plata, der spanischen Bezeichnung für Silber; der Beinamen del Pinto wurde ihm gegeben, weil man zuerst auf sein Vorkommen im Goldsand des Flusses Pinto achtete).

Hier berichtete er über die Unlöslichkeit des Platins in Scheidewasser und seine Löslichkeit in Königswasser, ferner dass es im stärksten Ofenfeuer unschmelzbar (Smp. 1772 °C), aber mit anderen Metallen legierbar sei, und dass es unter Zumengung von Arsen geschmolzen werden könne.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Periodensystem

LAVOISIER versuchte es mit einem Brennglas, Platin zu schmelzen - allerdings ohne Erfolg.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2: Brennglas, mit dem LAVOISIER Diamanten schmolz; bei Platin versuchte er es vergeblich

Im Jahre 1758 brachten dann MACQUER und BAUMÉ eine Abhandlung in den Schriften der

Pariser Akademie, dass Platin sich im Fokus eines Brennspiegels schmelzen ließe. Außerdem berichteten sie, warum Platin früher so selten war: Die spanische Regierung hatte verboten, Platin in den Handel zu bringen, da es gut dem Gold in großen Mengen zugesetzt werden konnte, ohne dessen Farbe zu verändern. Immerhin wurde Platin zur damaligen Zeit als Minderwertig betrachtet, und der Preis lag deutlich unter dem Goldpreis. Dies änderte sich erst 1908. Heute ist der Platinpreis deutlich über dem Goldpreis. Eine Unze kostet immerhin 675 $, Gold dagegen 372 $ (FAZ, Mai 2003).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Platinpreis

Um 1772 machte sich Graf von SICKINGEN als erster daran, Platindraht und Platinbleche herzustellen.

Die Bearbeitung des Platins schritt nur langsam voran. So beschrieb ACHARD 1784 in Berlin, dass er einen Platintiegel hergestellt habe, indem er Platin mit Arsen aufgeschmolzen hat, und danach das Arsen durch Glühen vertrieb. So erhielt er schmiedbares Platin.

Trotz aller Fortschritte war die Bearbeitung von Platin schwierig. Ein halbes Jahrhundert nach seiner Neuentdeckung aber machte WOLLASTON große Fortschritte. Er fand, dass Platin geschmeidig wurde, wenn man Platinschwamm in Schraubenpressen presste. Somit konnte es getempert und geschmiedet werden, und der Herstellung von Platingeräten stand nichts mehr im Wege. Er stellte auch den sog. „Wollaston-Draht“ her. Das ist sehr feiner Platindraht, der auf der Weise hergestellt wurde, dass man Platin zusammen mit Nickel zu dünnen Drähten auszog, und anschließend das Nickel chemisch herausätzte. Anders war die Herstellung dieser feinen Drähte nicht möglich. Der Name hat sich bis heute erhalten.

Sämtliche Untersuchungen bis zu diesem Zeitpunkt wurden an Platin aus dem heutigen Kolumbien durchgeführt, das von 1739 bis 1819 zum spanischen Vizekönigreich Neu-Granada gehörte. Die jährliche Produktion betrug ca. 1 t. Im Jahre 1819 bemerkte man im östlichen Ural (Sibirien) im Süden von Jekaterinburg (seit 1918 Sverdlovsk), beim Goldwaschen Körner eines weißen Metalls, die 1823 als Platin identifiziert wurden (6). Interessant ist an dieser Stelle die Erwähnung, dass das russische Government 1828 die St. Petersburger Münze autorisierte (heute Leningrad), Münzen zu 3, 6 und 12 Rubel aus sibirischem Platin herzustellen. So wurden von 1828 bis 1845 14,6 t Platin zu Münzen verarbeitet, bis sie 1846 aus dem Umlauf genommen wurden.

Auch fand man in Russland den größten jemals entdeckten Platin-Nugget, den sog. Demidoff

Nugget, benannt nach Fürst Demidoff. Dieser wird im Demidoff Museum in Leningrad aufbewahrt, und wiegt 7837 Gramm (4).

P.S.: Zu den „geschichtlich“ erwähnten Personen gibt es im Anhang jeweils ein Bild und eine kurze Beschreibung.

1.1. Erste Entdeckungen zur heterogenen Katalyse

Interessant ist eine Entdeckung des englischen Chemikers Sir Humphry DAVY aus dem Jahre 1817. Er fand, dass Gemische aus Sauerstoff oder Luft mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder anderen brennbaren Gasen einen Platindraht, der leicht erwärmt wird, zum Glühen bringt. Das Gasgemisch wird dabei langsam verbrannt. Damit war DAVY auf das Phänomen der Platinkatalyse gestoßen. Das Prinzip wusste er auch gut umzusetzen, denn auf dieser Basis entwickelte er die Sicherheits-Grubenlampe. Wie bekannt, ist das Betreiben offener Lampen im Bergwerk eine kritische Sache. Aufgrund der Methanausgasung kann es zu Schlagwetterexplosionen kommen. Mit der Sicherheits-Grubenlampe wird dies vermieden. Hier ist die Flamme in einem Platingitter eingekapselt, so dass eintretendes Gas ('fire damp', wie DAVY es nannte) nicht explosiv, sondern langsam verbrennt. Außerdem lässt sich an der Lampe sehen, ob man hohe Methankonzentrationen vorfindet.

Eine weitere wichtige Erfindung machte DÖBEREINER, Professor für Chemie, Pharmazie und

Technologie in Jena, 1823: Die Zündmaschine. Wasserstoffgas, das in einem Glasgefäß aus Zink und Schwefelsäure entwickelt wird, wird über fein verteiltes Platin geleitet und entzündet sich bei Zutritt von Luft selbst (7).

Trotz dieser beiden durchaus praktischen Anwendungen konnte man das Wesen der Reaktion nicht erklären. Später im Jahre 1836 führte Jöns Jacob BERZELIUS den Begriff der 'katalytischen Kraft' ein (8). Das Wort 'Katalyse' selbst kommt aus dem Griechischen, und bedeutet 'Auflösung' oder 'Verfall'. Es wurde erstmals in England im 17. Jh. als politischer Term benutzt, und später von BERZELIUS im übertragenen Sinne benutzt (9).

OSTWALD definierte 1888 einen Katalysator als einen Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändert, ohne in den Endprodukten selbst zu erscheinen. Für die Begriffsbildung der Katalyse erhielt er 1909 den Nobelpreis. TAYLOR vermutete im Jahre 1925 (10), dass auf einer Katalysatoroberfläche nur bestimmte aktive Zentren für den katalytischen Vorgang verantwortlich sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4: DAVY Sicherheits-Grubenlampe

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Bild 5:Döbereiner Zündmaschine

(Deutsches Apotheken-Museum, Heidelberg)

2. Technische Verfahren der heterogenen Katalyse

2.1. Kontakt-Verfahren

Bereits im Jahre 1831 wurde Peregrine PHILIPPS ein Patent erteilt zur Erzeugung von Vitriolöl durch Überleiten von schwefliger Säure und Luft über erhitztes, fein verteiltes Platin. Später unternahmen auch DÖBEREINER, MAGNUS, PIRIA und WÖHLER ähnliche Versuche, aber diese sind alle nicht über das Versuchsstadium hinaus gekommen (11). Die technische Anwendung geht auf Arbeiten von Clemens WINKLER (1875) und Rudolf KNIETSCH (BASF, 1901) zurück (12). Dies war das erste Verfahren zur technischen Anwendung der heterogenen Katalyse. Der Weg bis zur Anwendung allerdings war schwer. Mit welchen Problemen WINKLER und KNIETSCH zu kämpfen hatten, ist sehr schön bei STRUBE (13) beschrieben.

Die Reaktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ist reversibel und exotherm. Daher verschiebt sich das Gleichgewicht mit der Temperatur nach links. Die Ausbeuten an SO3 betragen bei

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Bei niedrigen Temperaturen allerdings ist die Reaktionsgeschwindigkeit gering. Benutzt man nun einen Platin-Katalysator, so lässt sich der Oxidationsprozess bereits bei 425 °C genügend beschleunigen.

Probleme bekommt man allerdings durch Verunreinigungen. So erkannte bereits WINKLER selbst, dass Arsen als gefährliches Kontaktgift auftritt. Arsen ist ein typischer Begleiter der eingesetzten Erze wie Pyrit FeS2, Bleiglanz PbS oder Zinkblende ZnS und wird beim Rösten freigesetzt. Heute nimmt man statt Platin als Katalysator Vanadiumpentoxid V2O5 das nicht so empfindlich auf die Kontaktgifte reagiert.

Zur Vollständigkeit möchte ich noch zum Verfahren erwähnen, dass das gewonnene Schwefeltrioxid in 98 %iger Schwefelsäure gelöst wird. Dadurch bildet sich Dischwefelsäure, die nun einer Hydrolyse unterworfen wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2. Haber-Bosch Verfahren

Natürlich wird heute das Haber-Bosch Verfahren zur Ammoniaksynthese aus den Elementen nicht mit einem Platinkatalysator durchgeführt, aber in diesem Zusammenhang ist ein Versuch erwähnenswert, den NERNST 1906 durchführte: Ihm gelang an Platinfolien bei 685 °C und 50 atm die Reaktion mit einer Ausbeute von 0,896 % (14). Auch HABER experimentierte u.a. mit Platinfolien (13).

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Details

Titel
Platin - Entdeckung - Verwendung
Autor
Jahr
2004
Seiten
34
Katalognummer
V22028
ISBN (eBook)
9783638254786
Dateigröße
4968 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Platin, Entdeckung, Verwendung
Arbeit zitieren
Dr. Herbert Lindner (Autor:in), 2004, Platin - Entdeckung - Verwendung, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/22028

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