Скачать (57,2 Кб)

Палладий

И. С. Разина. Институт минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов
Химия и Жизнь №1, 1971 г., с.47-52

ДВОЙНОЙ РОЗЫГРЫШ

Известный в Лондоне торговец минералами мистер Фостер не выказал особого удивления, когда в один из слякотных осенних дней 1803 года получил письмо от лица, пожелавшего остаться неизвестным. На дорогой бумаге прекрасным почерком была изложена просьба: попытаться продать небольшое количество нового металла палладия, ни внешним видом, ни свойствами не уступающего драгоценной платине. К письму был приложен небольшой и не очень тяжелый слиток.

Фостер согласился - металл был действительно красив. К тому же, ничто так не притягивает людей, как случаи необычные и таинственные... А торговец может из них извлечь и выгоду, если знает толк в рекламе. Вскоре сообщение о палладиевом слитке, продающемся в магазине Фостера, стало достоянием гласности, и вокруг нового металла разгорелись страсти.

Поскольку способ оповещения об открытии нового металла (через торговца!) был явно необычным, многие ученые Англии заподозрили подвох. Споры вокруг палладия принимали все более резкий характер как в научной среде, так и среди предпринимателей.

В то время среди английских химиков-аналитиков, в большинстве своем традиционно чопорных или флегматичных, выделялся Ричард Ченевикс. Ирландец по происхождению, человек вспыльчивый и неуживчивый, он особенно жаждал разоблачить "мошенническую подделку". Он купил слиток палладия и стал его анализировать. Предвзятость взяла свое: очень скоро Ченевикс пришел к убеждению, что названный палладием металл "не новый элемент, как постыдно заявлялось", а всего-навсего сплав платины и ртути. Свое мнение Ченевикс сразу высказал, сначала в докладе, прочитанном перед членами Королевского Общества, а затем и в печати. Однако другие химики при всем своем старании никак не могли найти в палладии ни ртути, ни платины...

Секретарем Королевского Общества в то время был Уильям Гайд Волластон. Страстный противник рутины и шаблона в науке, он время от времени вмешивался в затянувшийся спор и умело обострял его. Страсти вокруг палладия то накалялись, то ослабевали, а когда, наконец, новый элемент (или псевдоэлемент) всем уже начал надоедать, в известнейшем научном журнале Англии "Nicholson's Journal" появилось анонимное объявление. Заявитель через редактора предлагал награду в 20 фунтов стерлингов тому, кто в течение года приготовит искусственный палладий. Интерес к новому металлу вновь подскочил. Но все попытки искусственно приготовить палладий неизменно заканчивались неудачей.

Только в 1804 году Волластон доложил Королевскому Обществу о том, что им в сырой платине обнаружен палладий и еще один новый благородный металл - родий. А в феврале 1805 года в открытом письме, опубликованном в "Nicholson's Journal", Волластон признался, что и скандальная шумиха вокруг палладия - тоже дело его рук. Это он пустил в продажу новый металл, а затем и учредил премию за его искусственное приготовление. А неопровержимыми доказательствами того, что палладий и родий - действительно новые платиноподобные металлы, он к тому времени уже располагал.

О ПЕРВООТКРЫВАТЕЛЕ ПАЛЛАДИЯ

Жизнь Уильяма Гайда Волластона (1766-1828) пришлась как раз на годы, в которые Англия стала страной классического капитализма. Промышленная революция, начавшаяся в шестидесятых годах XVIII века, породила бурный рост производства. Захват колоний приобрел невиданные прежде масштабы. Неслыханно богатела буржуазия, а те, кто создавал величие Англии,- трудовой люд - жили в ужасающих условиях. Лондонский врач Волластон практиковал в рабочих районах. Он не мог пожаловаться на отсутствие пациентов (которым, правда, нечем было платить за визиты), их число стремительно росло. Но и искусство врача и лекарства, которыми он щедро наделял своих больных, часто оставались бессильными против хронических и профессиональных заболеваний.

Уильям Гайд Волластон (1766-1828) - первооткрыватель палладия и родия

Разочаровавшись в медицинской практике, Волластон навсегда оставил медицину и с 1800 года целиком посвятил себя науке. На жизнь, на приобретение материалов и оборудования для лаборатории нужны были деньги.

Человек высокоодаренный и предприимчивый, Волластон разработал способ изготовления платиновой посуды и аппаратуры: реторт для сгущения серной кислоты, сосудов для разделения серебра и золота, эталонов мер и так далее. Более того, он, говоря нынешним языком, быстро внедрил этот способ в практику. А как раз в эти годы платиновая посуда стала для химических лабораторий необходимостью. Об этом, правда, несколько позже хорошо скажет в своих "химических письмах" выдающийся немецкий химик Юстус Либих: "Без платины было бы невозможно во многих случаях сделать анализ минералов... Состав большинства минералов был бы неизвестным". И дело не только в минералах, первая четверть XIX века - время больших перемен в химии. Освободившись от оков теории флогистона, химия двигалась вперед семимильными шагами. Не случайно на рубеже XVIII и XIX веков (±10 лет) открыто около 20 новых химических элементов.

Дело Волластона процветало; изделия, вышедшие из его мастерской, пользовались большим спросом во многих странах, были вне конкуренции и приносили Волластону-предпринимателю немалые доходы. Однако успехи в коммерции не вскружили ему голову. В числе немногих ученых того времени Волластон принимал и последовательно проводил в жизнь идею взаимоплодотворной связи науки и практики.

Работая над дальнейшим совершенствованием методики аффинажа и обработки платины, он пришел к мысли о возможности существования платиноподобных металлов. Продажная платина, с которой работал Волластон, была загрязнена золотом и ртутью. Стремясь получить более чистый металл, Волластон избавлялся от этих, да и от других примесей. Сырую платину он растворял в царской водке, а после осаждал из раствора только платину особо чистым нашатырем (NН₄Сl). Тогда он и заметил, что раствор, остававшийся после осаждения платины, был розоватым. Известными примесями (ртуть, золото) эту окраску объяснить было нельзя.

Волластон подействовал на окрашенный раствор цинком: выпал черный осадок. Высушив его, Волластон попытался растворить его в царской водке. Часть порошка растворилась, а часть осталась нерастворенной. О дальнейших своих исследованиях Волластон писал: "После разбавления этого раствора водой, чтобы избежать осаждения незначительных количеств платины, оставшейся в растворе, я добавил в него цианид калия - образовался обильный осадок оранжевого цвета, который при нагревании приобрел серый цвет... Затем этот осадок сплавился в капельку по удельному весу меньше ртути... Часть этого металла растворялась в азотной кислоте и имела все свойства пущенного в продажу палладия". Из другой, нерастворимой части был выведен еще один платиноид - родий. Почему первый из открытых спутников Волластон назвал палладием, а второй родием? Rhodium - от греческого - розовый: соли родия придают раствору розовый цвет. Второе название с химией не связано. Незадолго до открытия палладия и родия - в 1802 году немецкий астроном Г. Ольберс обнаружил в солнечной системе новый астероид и в честь древнегреческой богини мудрости Афины Паллады и назвал его Палладой. А Волластон один из "своих" элементов назвал в честь этого астероида, точнее в честь этого астрономического открытия.

ОБ ИСТОЧНИКАХ ПАЛЛАДИЯ - РЕАЛЬНЫХ, ПЕРСПЕКТИВНЫХ И БЕСПЕРСПЕКТИВНЫХ

Волластону пришлось извлекать палладий из сырой платины, попутно добытой при промывке золотоносных песков в далекой Колумбии. В то время зерна самородной платины были единственным известным людям минералом, содержащим палладий. Сейчас известно около тридцати минералов, в которых есть этот элемент.

Как и все металлы платиновой группы, палладий довольно мало распространен. Хотя с чем сравнивать! Подсчитано, что в земной коре его 5·10^-6%, то есть примерно в 10 раз больше, чем золота. Наиболее крупные россыпные месторождения платиновых металлов находятся в нашей стране (Урал), в Колумбии, на Аляске и в Австралии. Небольшие примеси палладия часто находят в золотоносных песках.

Но главным поставщиком этого металла стали месторождения сульфидных руд никеля и меди. И, естественно, перерабатывая такие руды, в качестве побочного продукта извлекают драгоценный палладий. Обширные залежи таких руд найдены в Трансваале (Африка) и Канаде.

Разведанные в последние десятилетия богатейшие месторождения медно-никелевых руд Заполярья (Норильск, Талнах) открыли большие возможности для дальнейшего увеличения добычи платиновых металлов, и в первую очередь палладия. Ведь содержание его в таких рудах втрое больше, чем самой платины, не говоря уже об остальных ее спутниках.

Методы получения чистого палладия из природного сырья, основанные на разделении химических соединений платиновых металлов, очень сложны и длительны. Иностранные фирмы, занимающиеся аффинажем, не очень-то расположены делиться своими производственными секретами. Мы, естественно, тоже. А описывать технологию тридцатилетней давности не только скучно, но и бессмысленно. Поэтому оставим в стороне технологию, поговорим подробнее о минералах.

Из шести платиновых металлов, кроме самой платины, только палладий встречается в самородном состоянии. По внешнему виду его довольно трудно отличить от самородной платины, но он значительно легче и мягче ее. Химический анализ показывает, что самородный палладий обычно содержит примеси: прежде всего саму платину, а иногда также иридий, серебро и золото. Но самородный палладий крайне редок.

Минералы, содержащие элемент №46, представляют собой его соединения со свинцом, оловом (интерметаллические соединения), мышьяком, серой, висмутом, теллуром. Примерно треть этих минералов еще недостаточно изучена и даже не имеет названий. Это объясняется тем, что минералы всех платиновых металлов образуют в рудах микровключения и труднодоступны для исследования. Расшифровать состав некоторых из таких микровключений помог великолепный прибор - рентгеновский микроанализатор. С его помощью можно определять химический состав образцов весом всего в 10^-14 грамма!

Один из интересных минералов элемента №46 - аллопалладий, природа которого еще изучается. Этот серебряно-белый с металлическим блеском минерал очень редок. Спектральным анализом установлено, что в нем есть ртуть, платина, рутений, медь. Но окончательно расшифровать состав этого минерала пока не удалось.

В рудах Норильска обнаружена палладистая платина. В ее составе, выявленном с помощью микроанализатора, 40% палладия.

Еще в 1925 году в алмазных россыпях Британской Гвинеи был найден минерал потарит. Его состав PdHg установили обычным химическим анализом: 34,8% Рd и 65,2% Нg. Однако возможно существование и других соединений палладия с ртутью, например Рd₂Hg₃.

В Бразилии, в штате Минас Жераис найдена очень редкая и до сих пор недостаточно изученная разновидность самородного золота - палладистое золото (или порпецит). Палладия в нем всего 8-11%. По внешнему виду этот минерал трудно отличить от чистого золота.

Таковы некоторые минералы палладия. Между прочим, палладий нашли и в метеоритах: 1,2-7,7 грамма на тонну вещества железных метеоритов и до 3,5 г/т - в каменных. А на Солнце его открыли одновременно с гелием еще в 1868 году.

О ЛЕГЧАЙШЕМ ИЗ ПЛАТИНОИДОВ И О "ЧЕРНИ", УСКОРЯЮЩЕЙ ПРОГРЕСС

Серебристо-белый палладий внешне больше похож на серебро, чем на платину. Собственно, выглядят все эти три металла примерно одинаково, а вот по плотности (12,02 г/см³) палладий ближе к серебру (10,49), чем к платине (21,40). Палладий самый легкий из платиновых элементов. И самый легкоплавкий - температура плавления 1552°С. Закипает жидкий палладий лишь при 3980°С. Перед плавлением он размягчается. Разогретый палладий хорошо куется и сваривается. Да и при комнатной температуре он мягок и легко обрабатывается.

Палладий по-своему красив, полируется отлично, не тускнеет и не подвержен коррозии. В палладиевой оправе эффектно выделяются драгоценные камни. За рубежом пользуются популярностью часы в корпусах из белого золота. Здесь "белое золото" нужно понимать в прямом смысле слова: это золото, обесцвеченное добавкой палладия. Палладий способен "обелить" почти шестикратное количество золота.

Для техники важно непостоянство основных механических характеристик палладия. Например, твердость его резко - в 2-2,5 раза - повышается после холодной обработки. Сильно влияют на его свойства и добавки родственных металлов. Обычно предел его прочности на растяжение равен 19,7 кг/мм². Но если к палладию добавить 4% рутения и 1% родия, то предел прочности удвоится. Кстати, такой сплав применяют в ювелирном деле.

Изделия из палладия чаще всего вырабатывают штамповкой и холодной прокаткой. Из этого металла сравнительно легко получаются цельнотянутые трубы нужной длины и диаметра.

Не менее привлекательны и химические свойства элемента № 46. Прежде всего, это единственный металл с предельно заполненной наружной электронной оболочкой: на внешней орбите атома палладия 18 электронов. При таком строении атом просто не может не обладать высочайшей химической стойкостью. Неслучайно на палладий при нормальной температуре не действует даже всесокрушающий фтор...

Но, как и у прочих благородных металлов, "благородство" палладия имеет предел: при температуре 500°С и выше он может взаимодействовать не только с фтором, но и с другими сильными окислителями. В соединениях палладий бывает двух-, трех- и четырехвалентным, двухвалентным чаще всего. А еще, как и все платиновые металлы, он образует множество комплексных соединений. Комплексы двухвалентного палладия с аминами, оксимами, тиомочевиной и многими другими органическими соединениями имеют плоское квадратное строение и этим отличаются от комплексных соединений других платиновых металлов. Те почти всегда образуют объемные октаэдрические комплексы.

Сейчас известны многие тысячи комплексных соединений палладия. Некоторые из них приносят практическую пользу, хотя бы в производстве самого палладия.

Говоря о химии палладия, нельзя не упомянуть еще об одном. Как и все платиновые металлы, он - отличный катализатор. В присутствии палладия начинаются и идут при низких температурах многие практически важные реакции. Процессы гидрирования многих органических продуктов палладий ускоряет даже лучше, чем такой испытанный катализатор, как никель. Элемент №46 применяют в производстве ацетилена, многих продуктов органического синтеза.

В аппаратах химической промышленности палладий применяют обычно в виде "черни" (в тонкодисперсном состоянии палладий, как и все платиновые металлы, приобретает черный цвет) или в виде окиси PdO (в аппаратах гидрирования). Катализатор с палладиевой чернью готовят так: пористый материал (древесный уголь, пемзу, мел) пропитывают щелочным раствором хлористого палладия. Затем при нагревании в токе водорода хлорид восстанавливается до металла, и чистый палладий оседает на носителе в виде тонкодисперсной черни.

Почему палладий особенно хорошо ускоряет реакции гидрирования? Предполагают, что каталитические свойства этого элемента связаны с его удивительной способностью поглощать водород. Возможно, что часть водородных атомов оказывается связанной с палладием, и он служит как бы передатчиком водорода от одной молекулы к другой.

При комнатной температуре один объем палладия вбирает в себя до 850 объемов водорода. При этом он, естественно, вспучивается, растрескивается. Палладий "нацелен" именно на водород, другие же газы, кислород например, он поглощает хуже, чем платина. Повышенное газопоглощение - характерно для всего класса платиновых металлов.

И ЕЩЕ ОБ ОДНОМ ОЧЕНЬ ЦЕННОМ СВОЙСТВЕ

Это свойство - относительная дешевизна палладия. В шестидесятых годах нашего века он стоил примерно впятеро дешевле платины (517 и 2665 долларов за килограмм). Это свойство делает палладий, пожалуй, самым перспективным из всех платиновых металлов. Уже сейчас добавкой палладия удешевляют некоторые сплавы, например один из сплавов для изготовления зубных протезов (еще он содержит медь, серебро, золото и платину). А то, что палладий стал самым доступным из платиновых металлов, открывает ему все более широкую дорогу в технику.

Что вы знаете и чего не знаете о палладии и его соединениях

ИМЕНИ ВОЛЛАСТОНА

Среди знаков отличия, которыми отмечены труды выдающихся ученых мира, есть медаль имени Волластона, изготовленная из чистого палладия. Учрежденная 140 лет назад Лондонским геологическим обществом, сначала она чеканилась из золота; затем в 1846 году известный металлург Джонсон извлек из бразильского палладистого золота чистый палладий, предназначавшийся исключительно для изготовления этой медали.

ПАЛЛАДИЙ - ОЧИСТИТЕЛЬ ВОДОРОДА

Астрофизики подсчитали, что водорода в нашей Галактике больше, чем остальных элементов вместе взятых. А на Земле водорода менее одного процента. Трудно перечислить все области применения этого элемента, достаточно вспомнить, что водород - важное ракетное топливо. Но весь земной водород связан; легчайший из газов приходится получать на заводах - либо из метана с помощью конверсии, либо из воды электролизом. И в том и в другом случае абсолютно чистый водород получить не удается. Для очистки водорода палладий (или его сплав с серебром) пока незаменим. Устройство аппарата не так уж сложно. Используется уникальная способность водорода с огромной скоростью диффундировать через тонкую (до 0,1 мм) пластинку из палладия. Под небольшим давлением газ пропускают через закрытые с одной стороны палладиевые трубки, нагретые до 600°С. Водород быстро проходит через палладий, а примеси (пары воды, углеводороды, О₂, N₂) задерживаются в трубках.

ИЗ "ГОРНОГО ЖУРНАЛА" 1827 ГОДА

"В 1822 году Г. Бреан имел поручение от испанского правительства очистить и обратить в слитки всю платину, собранную в Америке в течение многих лет. При сем случае, обрабатывая более 61 пуда сырой платины, отделил он два с четвертью фунта палладия, металла, открытого Волластоном и по чрезвычайной редкости своей ценимого в пять с половиной раз выше золота".

ПЕРВЫЙ СОВЕТСКИЙ ПАЛЛАДИЙ

В 1922 году Государственный аффинажный завод выпустил первую партию русского аффинированного палладия. Этим было положено начало промышленному получению палладия в нашей стране. Сейчас СССР по достоверным запасам и добыче палладия занимает одно из первых мест в мире.

БЕЗОТКАЗНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР

Окись углерода СО недаром называют угарным газом. Этот яд вдвойне опасен оттого, что не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха... Определить наличие СО в воздухе можно с помощью бумажки, смоченной раствором хлористого палладия. Это безотказный сигнализатор: едва содержание СО в воздухе превысит допустимое (0,02 мг на литр), бумажка чернеет.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ТИТАН!

Титан почти всеми своими качествами отвечает данному ему имени. Он прочен, теплостоек, обладает высокой коррозионной стойкостью. На него не действуют ни азотная кислота, ни царская водка, ни другие окислители. Однако он корродирует под действием соляной и серной кислот. Но совсем небольшая добавка палладия (до 0,1%) делает титан металлом, стойким против Н₂SО₄ и НСl. Добавки (до 1%) палладия повышают также химическую стойкость некоторых сортов нержавеющей и высокохромистой стали.