Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение палладий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 137 pm — это 0,137 нм, поэтому около 3,65 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Палладий находится в жидком состоянии в диапазоне 1408 K — от 1828 K до 3236 K.
Положение
История
Металл, впитывающий водород как губка, — до 900 объёмов собственного объёма.
Открытие палладия стало частью одного из самых примечательных годов в истории химии: в 1803 году William Hyde Wollaston с разницей всего в несколько месяцев обнаружил и палладий, и родий. Работая в своей лондонской лаборатории, Wollaston систематически исследовал необработанные платиновые руды. Это произвело революцию в понимании металлов платиновой группы и заложило основу современной химии драгоценных металлов.
Исследования Wollaston начались с практических коммерческих целей. Будучи партнёром компании, очищавшей платину для продажи производителям инструментов и ювелирам, он должен был изучить все компоненты необработанной платиновой руды, чтобы повысить эффективность извлечения и качество продукции. Высокая стоимость платины оправдывала подробное химическое исследование сложного состава руды.
Работая с платиновой рудой из Колумбии и Бразилии, Wollaston применял наиболее совершенные методы аналитической химии, доступные в начале XIX века. Он растворял необработанную руду в царской водке и использовал последовательные процедуры осаждения, кристаллизации и восстановления для разделения различных металлических компонентов.
После удаления платины, золота и других известных металлов Wollaston обнаружил, что в считавшихся «исчерпанными» остатках руды сохранялось значительное количество металла. Тщательный анализ показал, что эти остатки содержали по меньшей мере два неизвестных элемента, свойства которых отличались от свойств всех известных металлов.
Прорыв Wollaston произошёл благодаря методам селективного осаждения. Он установил, что обработка остатка цианидом ртути давала характерный жёлтый осадок, содержавший ранее неизвестный металл. После тщательного восстановления водородом он получил этот металл в виде белого ковкого порошка, проявлявшего замечательную химическую инертность.
В порыве научной поэзии Wollaston назвал новый элемент «палладием» в честь астероида Паллада, открытого всего двумя годами ранее, в 1801 году, Heinrich Olbers. Этот выбор отражал современный интерес к астрономическим открытиям и связывал земную химию с космическими явлениями.
Выбор названия оказался пророческим: теперь мы понимаем, что палладий и другие металлы платиновой группы действительно возникли в результате космических процессов — в частности, реакций захвата нейтронов в умирающих звёздах и взрывов сверхновых, обогативших солнечную туманность ещё до формирования Земли.
После объявления об открытиях Wollaston поначалу столкнулся со скептицизмом научного сообщества. Некоторые химики сомневались, действительно ли палладий является чистым элементом, а не сплавом известных металлов. Чтобы развеять эти сомнения, Wollaston провёл обширные химические испытания, продемонстрировавшие уникальные свойства палладия и неизменность его поведения при использовании различных методов получения.
Международное подтверждение пришло после того, как другие химики успешно воспроизвели результаты Wollaston, применив подробно описанные им процедуры. Французский химик Louis-Nicolas Vauquelin подтвердил открытие, а немецкий химик Heinrich Rose провёл дополнительное изучение химических свойств палладия.
Wollaston проявил выдающуюся деловую хватку, контролируя первые поставки палладия через свои предприятия по очистке металлов. Поначалу он анонимно продавал палладий через лондонских торговцев минералами, вызывая интерес рынка к источнику нового драгоценного металла. Эта стратегия позволила ему установить рыночную стоимость палладия, прежде чем раскрыть свою роль первооткрывателя и основного производителя.
Коммерческий успех палладия помог финансировать дальнейшие исследования Wollaston металлов платиновой группы, благодаря чему он открыл родий и углубил понимание всего этого семейства элементов.
Систематический подход Wollaston к анализу платиновой руды установил методологические стандарты, которые десятилетиями влияли на аналитическую химию. Его работа показала, как тщательное и терпеливое исследование может выявить скрытую сложность внешне простых материалов.
Открытие палладия сыграло важную роль в развитии современных каталитических технологий, обеспечивающих экологичный транспорт и эффективное химическое производство. Детективная работа Wollaston в XIX веке сделала возможным создание каталитических нейтрализаторов, благодаря которым миллионы автомобилей работают с минимальным воздействием на окружающую среду.
Научное сообщество признало вклад Wollaston многочисленными наградами, включая членство в Royal Society и международное признание со стороны химических обществ по всей Европе. Его методы открытия повлияли на последующее обнаружение других металлов платиновой группы и способствовали становлению Лондона как центра исследований и торговли драгоценными металлами.
Применение
Палладий — один из наиболее универсальных и экономически важных металлов платиновой группы; его мировое ежегодное потребление превышает 10 миллионов тройских унций. Исключительные каталитические свойства, электрические характеристики и способность поглощать водород делают его незаменимым во многих отраслях — от контроля автомобильных выбросов до передовой электроники и стоматологии.
Автомобильная промышленность потребляет примерно 80% мирового производства палладия, что делает его основой системы контроля выбросов бензиновых двигателей. Катализаторы на основе палладия эффективно окисляют монооксид углерода и несгоревшие углеводороды в богатой кислородом среде, характерной для выхлопных систем бензиновых двигателей.
В трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторах палладий работает вместе с платиной и родием, одновременно восстанавливая NOₓ, окисляя CO и окисляя углеводороды. Современные автомобили обычно содержат от 2 до 7 граммов палладия; для автомобилей класса люкс и внедорожников требуются более высокие загрузки для соблюдения строгих стандартов выбросов.
Мировой переход к стандартам выбросов Euro 6, EPA Tier 3 и China 6 продолжает повышать спрос на палладий. Эти нормативы требуют более эффективных катализаторов с более высоким содержанием драгоценных металлов, поэтому палладий необходим для соблюдения требований на основных автомобильных рынках мира.
Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) потребляют значительное количество палладия для внутренних электродов. Эти миниатюрные компоненты размером всего несколько миллиметров незаменимы в современной электронике: смартфоны содержат сотни MLCC, а электромобилям для нормальной работы требуются тысячи таких компонентов.
Электрические контакты и разъёмы используют сочетание высокой электропроводности, устойчивости к коррозии и механической прочности палладия. Высоконадежные устройства в аэрокосмической, военной и медицинской технике зависят от контактов с палладиевым покрытием, сохраняющих стабильные характеристики на протяжении миллионов циклов переключения.
Печатные платы в передовой электронике используют палладиевые поверхностные покрытия для обеспечения надёжных паяных соединений. Растущая сложность электронных устройств приводит к увеличению потребления палладия при производстве печатных плат.
Промышленное производство химических веществ в значительной степени опирается на реакции, катализируемые палладием. Реакция сочетания Судзуки — Мияуры, осуществляемая с помощью палладиевых катализаторов, позволяет производить фармацевтические промежуточные продукты, передовые материалы и специальные химические вещества общей стоимостью в миллиарды долларов ежегодно.
Процессы гидрирования в фармацевтическом производстве используют палладиевые катализаторы для присоединения атомов водорода к органическим молекулам с высокой селективностью. Это позволяет производить сложные лекарственные средства с определённым молекулярным строением, необходимым для терапевтического действия.
Производство винилацетата использует катализаторы на основе палладия для изготовления этого важного химического вещества, применяемого в красках, клеях и средствах для обработки текстиля. Один крупный завод может содержать несколько тонн палладиевого катализатора.
Уникальная способность палладия поглощать водород в количестве, в 900 раз превышающем его собственный объём, делает его важным для очистки и хранения водорода. Палладиевые мембранные сепараторы производят сверхчистый водород для производства полупроводников и применения в топливных элементах.
Технологии топливных элементов всё чаще используют палладий в электродах и катализаторах. Хотя платина сохраняет доминирующее положение, более низкая стоимость палладия и сходные каталитические свойства делают его привлекательным для автомобильных топливных элементов, где снижение затрат имеет критическое значение.
Стоматологические сплавы с содержанием палладия обеспечивают биосовместимую альтернативу золоту для коронок, мостов и других зубных реставраций. Сплавы на основе палладия обладают высокой устойчивостью к коррозии в агрессивной среде ротовой полости и сохраняют механическую прочность.
Медицинские имплантаты используют сплавы палладия благодаря их биосовместимости, рентгеноконтрастности (видимости на рентгеновских снимках) и механическим свойствам. Сердечно-сосудистые стенты и другие имплантируемые устройства получают преимущества от инертности палладия в биологических системах.
Инвестиционный спрос на палладий резко вырос, поскольку инвесторы осознали ограниченность его поставок и промышленную значимость. Биржевые фонды и физические запасы палладия обеспечивают диверсификацию портфеля и защиту от перебоев в промышленных поставках.
Ювелирные изделия из белого золота всё чаще используют палладий как легирующий компонент для получения естественного белого цвета без необходимости покрытия родием. Палладиево-золотые сплавы устойчивы к потускнению и дольше сохраняют внешний вид по сравнению с традиционными составами белого золота.
Каждый автомобиль с бензиновым двигателем зависит от палладия в каталитических нейтрализаторах, который превращает вредные выхлопные газы в безвредные выбросы. Палладиевый катализатор работает автоматически каждый раз, когда вы ведёте автомобиль, ежедневно обрабатывая тысячи литров выхлопных газов для соблюдения экологических норм.
Палладиевый катализатор вашего автомобиля работает наиболее эффективно после прогрева, поэтому природоохранные органы рекомендуют по возможности избегать коротких поездок. 2–7 граммов палладия в обычном автомобиле — одна из самых экономичных технологий контроля загрязнения окружающей среды из когда-либо разработанных.
Смартфоны и планшеты содержат десятки компонентов с палладием, главным образом многослойные керамические конденсаторы, регулирующие прохождение электрического тока. Эти микроскопические компоненты обеспечивают надёжную работу процессора, памяти и беспроводной связи устройства.
Ноутбуки используют палладий в защитных покрытиях поверхности печатных плат и электрических контактах. Надёжные соединения, которые они обеспечивают, позволяют передавать данные со скоростью, измеряемой в гигабайтах в секунду, сохраняя целостность сигнала на протяжении миллионов циклов соединения.
Игровые консоли и телевизоры используют палладий в своей сложной электронике. Современные игровые системы содержат сотни конденсаторов с палладием, обеспечивающих высокопроизводительную обработку графики и быстрый доступ к данным.
Зубные коронки и мосты часто содержат палладиевые сплавы, которые обеспечивают естественный внешний вид и долговечность реставраций. Такие зубные конструкции могут служить 20–30 лет, выдерживая механические нагрузки и химическое воздействие среды ротовой полости.
Стоматологические инструменты используют коррозионную стойкость палладия; они должны выдерживать многократные циклы стерилизации. Биосовместимость металла обеспечивает безопасность пациентов во время стоматологических процедур.
Украшения из белого золота всё чаще содержат палладий, позволяющий получить естественный белый цвет без родирования. Белое золото с палладием дольше сохраняет внешний вид и устойчиво к пожелтению, которое может поражать традиционные сплавы белого золота.
Роскошные часы используют палладий в корпусах, механизмах и декоративных элементах. Редкость и долговечность металла делают его особенно ценным для коллекционеров, а гипоаллергенные свойства полезны людям с чувствительной кожей.
Обручальные кольца из палладия отличаются долговечностью и красотой, сохраняющимися на протяжении поколений. Естественный белый цвет металла и устойчивость к потускнению делают его отличным выбором для украшений, которые носят каждый день.
Системы кондиционирования воздуха используют палладий в электрических контактах и цепях управления, которые должны надёжно работать годами в различных условиях окружающей среды. Эти компоненты помогают поддерживать комфортную температуру в помещениях, одновременно повышая энергоэффективность.
Компьютерные принтеры и копировальные аппараты используют палладий в электрических соединениях и печатных платах. Надёжность металла обеспечивает стабильное качество печати и длительный срок службы устройств в офисных условиях.
Домашние системы безопасности зависят от электроники с палладием для надёжной работы. Датчики дверей, датчики движения и панели управления должны функционировать безупречно, чтобы защищать семьи и имущество.
Кардиостимуляторы и дефибрилляторы используют палладий в электронных компонентах, которые должны надёжно работать годами внутри человеческого тела. Биосовместимость и электрические свойства металла делают его идеальным для жизненно важных медицинских устройств.
Глюкометры и другие диагностические устройства используют палладий в датчиках и электронных схемах, обеспечивающих точные измерения состояния здоровья, от которых пациенты зависят при контроле хронических заболеваний.
Откуда он происходит
0,015 мг/кг земной коры · более распространён, чем 38% элементов
Палладий содержится в земной коре в средней концентрации 0,015 части на миллион (15 ppb), что делает его примерно в 1 000 раз более редким, чем медь, но более распространённым, чем золото. Несмотря на относительную редкость, концентрация палладия в определённых геологических формациях позволяет экономически рентабельно извлекать его из тщательно выбранных месторождений по всему миру.
Россия доминирует в мировом производстве палладия, обеспечивая около 40% мирового объёма благодаря двум основным источникам. В Норильско-Талнахском регионе Сибири палладий добывают из массивных сульфидных месторождений, сформировавшихся в результате древней вулканической активности. Эти месторождения содержат палладий наряду с никелем, медью и другими металлами платиновой группы в концентрациях, достаточно высоких для оправдания добычи, несмотря на суровые арктические условия работы.
На Южную Африку приходится около 35% мирового производства благодаря комплексу Бушвельд — той же геологической формации, которая доминирует в производстве родия и платины. Риф Меренского и риф UG2 содержат палладий в чётко выраженных слоях, где медленное охлаждение позволило металлам разделиться и сконцентрироваться в течение миллионов лет.
Северная Америка вносит значительный вклад благодаря месторождениям в Онтарио, Канаде, и Монтане, США. Комплекс Стиллуотер в Монтане является единственным значительным источником палладия в Соединённых Штатах, а бассейн Садбери в Онтарио обеспечивает существенную добычу наряду с операциями по добыче никеля.
Геологическое распределение палладия отражает его умеренно сидерофильную природу — хотя он предпочитает металлическую среду, он не концентрируется в ядре Земли так же исключительно, как высокосидерофильные элементы, например родий. Благодаря этой особенности палладий остаётся более доступным в породах земной коры.
Большинство промышленных месторождений палладия сформировалось в результате магматических процессов, при которых большие объёмы богатой металлами магмы внедрялись в земную кору и медленно кристаллизовались. Медленное охлаждение позволило более плотным сульфидным минералам, содержащим палладий, оседать и концентрироваться в определённых слоях, создавая стратифицированные месторождения, которые разрабатываются сегодня.
Гидротермальные процессы также способствовали концентрации палладия в некоторых месторождениях. Горячие, богатые металлами флюиды, циркулировавшие через трещиноватые породы, растворяли и повторно осаждали палладий в жилах и метасоматических месторождениях, иногда создавая очень богатые руды на небольших участках.
В природе палладий редко встречается в виде самородного металла, вместо этого образуя сложные сульфидные и арсенидные минералы. К распространённым минералам палладия относятся брэггит ((Pt,Pd,Ni)S), куперит ((Pt,Pd)S) и различные теллуридные соединения. Эти минералы обычно тесно связаны с сульфидами платины, родия и неблагородных металлов.
Извлечение палладия требует сложных металлургических процессов, поскольку он встречается в очень низких концентрациях вместе с другими металлами. Типичная переработка включает дробление, измельчение, флотационное обогащение, плавку и несколько стадий химического рафинирования. Для производства одной унции палладия обычно требуется переработать 10–15 тонн руды.
Переработка автомобильных катализаторов становится всё более важным источником палладия, обеспечивая около 25% годового предложения. Использованные каталитические нейтрализаторы содержат извлекаемый палладий, который можно выделить и очистить для повторного использования, хотя процесс переработки требует сложных технологий и специальных процедур обращения.
Переработка электронных отходов позволяет извлекать палладий из выброшенных компьютеров, смартфонов и других электронных устройств. Хотя отдельные устройства содержат небольшие количества металла, растущий объём электронных отходов делает этот источник всё более значимым.
Мировое производство палладия сталкивается с существенными ограничениями, поскольку большая часть продукции приходится на две страны со сложной геополитической ситуацией. Производство в России зависит от устаревающей инфраструктуры в удалённых арктических районах, тогда как производство в Южной Африке продолжает сталкиваться с проблемами в трудовых отношениях, энергоснабжении и обслуживании инфраструктуры.
Известные запасы палладия в мире составляют около 71 000 тонн, а текущее годовое производство — примерно 200 тонн. При нынешних темпах потребления разведанных запасов хватило бы примерно на 350 лет, однако рост спроса со стороны автомобильной промышленности и ограниченное число новых открытий вызывают опасения относительно достаточности предложения в среднесрочной перспективе.
Обращение
Металлический палладий представляет минимальный риск для здоровья в чистом массивном виде благодаря химической инертности и устойчивости к коррозии. Основные проблемы безопасности связаны с соединениями палладия, особенно растворимыми солями, а также с пылью и парами палладия, образующимися при промышленной обработке.
Чувствительность к палладию наблюдается примерно у 5–10% населения, что делает палладий наиболее частой причиной аллергических реакций среди металлов платиновой группы. Первоначальный контакт может не вызывать симптомов, однако последующий контакт способен привести к тяжёлому аллергическому дерматиту даже при воздействии очень небольших количеств.
Перекрёстная реактивность с аллергией на Никель встречается часто, поскольку палладий и Никель обладают сходными химическими свойствами. Люди с известной чувствительностью к Никелю имеют повышенный риск развития аллергии на палладий и должны соблюдать особую осторожность при контакте с материалами, содержащими палладий.
Стоматологические аллергии являются наиболее частым проявлением чувствительности к палладию. У пациентов со стоматологическими конструкциями, содержащими палладий, могут развиться симптомы в полости рта, включая металлический привкус, жжение и воспаление дёсен. Аппликационная проба позволяет выявить чувствительность к палладию до проведения стоматологических процедур.
Переработка каталитических нейтрализаторов связана с наибольшим риском профессионального воздействия. Работники, демонтирующие и перерабатывающие использованные нейтрализаторы, подвергаются опасности вдыхания пыли, содержащей палладий, и возможного контакта кожи с соединениями палладия, растворёнными в технологических растворах.
Работники электронной промышленности, работающие с компонентами, покрытыми палладием, или припоями, содержащими палладий, могут приобрести контактную сенсибилизацию. При регулярной работе с печатными платами и электронными компонентами необходимы соответствующие защитные меры.
Техники стоматологических лабораторий подвергаются риску воздействия при работе со стоматологическими сплавами, содержащими палладий. Операции шлифовки, полировки и литья могут приводить к образованию вдыхаемых частиц и создавать возможность контакта с кожей.
Хлорид палладия и другие растворимые соли палладия представляют наибольший риск для здоровья. Эти соединения могут вызывать сильное раздражение кожи и глаз, а при попадании в организм в значительных количествах — системную токсичность. Некоторые соли палладия подозреваются как канцерогены и требуют специальных процедур обращения.
Органопалладиевые соединения, используемые в химическом синтезе, могут быть высокотоксичными и вызывать нарушения дыхательной, нервной и репродуктивной систем. Обращение с такими специализированными соединениями требует высокой квалификации и соблюдения комплексных протоколов безопасности.
Средства индивидуальной защиты: при работе с соединениями палладия используйте нитриловые или неопреновые перчатки — латексные и виниловые перчатки не обеспечивают достаточной защиты. Носите защитные очки с боковыми щитками и работайте в хорошо проветриваемых помещениях или под вытяжным шкафом при обработке материалов, содержащих палладий.
Защита органов дыхания необходима при работе с порошками палладия или во время операций, сопровождающихся образованием пыли или паров. Используйте респираторы, одобренные NIOSH, соответствующие конкретным размерам частиц и химическим формам используемого материала.
Защита кожи требует ношения одежды с длинными рукавами и соответствующих перчаток при работе с соединениями палладия. Тщательно мойте руки после любого возможного воздействия, даже если вы работали в перчатках, поскольку микроперфорации могут допустить контакт с кожей.
Контакт с кожей: немедленно снимите загрязнённую одежду и промывайте поражённые участки водой не менее 15 минут. Обратитесь за медицинской помощью при появлении раздражения, поскольку чувствительность к палладию может проявиться через несколько часов или дней после первоначального контакта.
Попадание в глаза: промывайте глаза чистой водой не менее 15 минут, обеспечивая тщательное орошение под обоими веками. Снимите контактные линзы, если они есть и их можно легко удалить. При любом попадании соединений палладия в глаза немедленно обратитесь за медицинской помощью.
Вдыхание: немедленно выйдите на свежий воздух и наблюдайте за появлением симптомов со стороны дыхательной системы. Вдыхание пыли палладия может вызвать отсроченные нарушения дыхания, поэтому медицинское обследование рекомендуется даже при слабых первоначальных симптомах.
Безопасное хранение обусловлено высокой стоимостью палладия — текущие цены часто превышают $2,000 за унцию. Храните его в запираемых огнестойких контейнерах, ведя соответствующий инвентарный учёт и применяя меры безопасности.
Обращение с отходами: из-за высокой стоимости палладия и его потенциального воздействия на окружающую среду никогда не выбрасывайте материалы, содержащие палладий, вместе с обычными отходами. Для надлежащей переработки и извлечения палладия из всех потоков отходов, содержащих палладий, обращайтесь в специализированные предприятия по восстановлению драгоценных металлов.
Краткие ответы
Палладий (символ Pd) — элемент 46 в периодической таблице, представитель семейства переходный металл в 5 периоде, 10 группе. Металл, впитывающий водород как губка, — до 900 объёмов собственного объёма. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d¹⁰; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 18, 0.Палладий плавится при 1828 K (1554.9 °C) и кипит при 3236 K (2962.9 °C).
Стандартная атомная масса Палладий составляет 106.42 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Палладий составляет 12.023 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Палладий примерно в 12× тяжелее.
Электроотрицательность Палладий по шкале Полинга составляет 2.2. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Палладий был открыт в 1803 году William Hyde Wollaston. Назван в честь астероид Паллада.
На долю Палладий приходится около 0.015 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.