Палладий

Палладий — это химический элемент 10-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы VIII группы), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 46. Обозначается символом Pd. Относится к благородным металлам платиновой группы (МПГ). Представляет собой серебристо-белый, пластичный и ковкий переходный металл, который обладает высокой коррозионной стойкостью и уникальными каталитическими свойствами. Назван в честь астероида Паллада, открытого незадолго до элемента.

История открытия

Палладий был открыт в 1803 году английским химиком и физиком Уильямом Хайдом Волластоном. Исследуя сырую платину, добытую в Южной Америке, Волластон растворил её в царской водке, а затем нейтрализовал раствор гидроксидом натрия. После осаждения платины хлоридом аммония он выделил из раствора новое вещество, добавив цианид ртути. Полученный цианид палладия был прокалён, в результате чего Волластон получил чистый металл. Своё открытие он первоначально анонсировал анонимно, продав небольшое количество нового металла в лондонском магазине минералов. После критики со стороны других учёных, в частности Ричарда Ченевикса, Волластон публично раскрыл природу вещества и детально описал метод его получения в 1805 году.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Палладий — один из самых лёгких металлов платиновой группы. Его плотность составляет около 12,02 г/см³, что значительно ниже плотности платины (21,45 г/см³) или родия (12,41 г/см³). Температура плавления — 1554,9 °C, температура кипения — 2963 °C. Металл обладает высокой пластичностью: его можно легко прокатывать в тончайшие листы (фольгу) и вытягивать в проволоку. Палладий парамагнитен. Важной особенностью является его способность растворять водород: при комнатной температуре один объём палладия может поглотить до 900 объёмов водорода, что приводит к значительному увеличению объёма и изменению физических свойств металла.

Химические свойства

Палладий химически стоек, но менее инертен, чем платина. При комнатной температуре на воздухе он не тускнеет и не окисляется. При нагревании до 300–350 °C на поверхности образуется тонкая плёнка оксида PdO, которая при дальнейшем нагреве разлагается. Палладий устойчив к действию воды и разбавленных кислот, однако растворяется в горячей концентрированной серной и азотной кислотах, а также в царской водке. Характерная особенность — способность растворяться в смеси соляной и азотной кислот с образованием хлоропалладатов. В соединениях палладий проявляет степени окисления от 0 до +4, наиболее характерны степени +2 и +4.

Нахождение в природе и добыча

Месторождения

Палладий встречается в природе как в самородном виде (в виде сплавов с платиной, золотом и другими металлами), так и в составе различных минералов. Основные минералы, содержащие палладий: палладит (PdO), брэггит (Pd,Pt)S, станнопалладинит (Pd₃Sn₂) и другие. Содержание палладия в земной коре оценивается в 1·10⁻⁶ % по массе.

Крупнейшие месторождения палладия находятся:

• Россия: Норильский промышленный район (Красноярский край). Месторождения сульфидных медно-никелевых руд (Талнахское, Октябрьское) являются крупнейшим источником палладия в мире. Палладий извлекается попутно при переработке никелевых и медных руд.
• ЮАР: Бушвельдский комплекс (провинции Лимпопо и Северо-Западная). Здесь палладий добывается из магматических месторождений платиновой группы (месторождения Меренского рифа).
• Зимбабве: Великая Дайка.
• Канада: месторождения в районе Садбери (Онтарио).
• США: месторождение Стиллуотер (Монтана).

Производство

Процесс получения палладия из руд является многостадийным. После обогащения руды и получения черновых металлов (никеля, меди) палладий концентрируется в шламах электролиза. Эти шламы подвергаются сложной гидрометаллургической переработке, включающей растворение, осаждение, экстракцию и ионный обмен. Конечным этапом является получение губчатого палладия (порошка), который затем переплавляется в слитки. Основными производителями палладия в мире являются Россия (около 40% мирового производства) и ЮАР (около 35%).

Применение

Автомобильная промышленность

Основная область применения палладия (около 80% мирового потребления) — производство каталитических нейтрализаторов выхлопных газов (катализаторов) для бензиновых двигателей. Палладий катализирует окисление угарного газа (CO) и несгоревших углеводородов (CHₓ) до углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O), а также восстановление оксидов азота (NOₓ) до молекулярного азота (N₂). В трёхкомпонентных катализаторах палладий часто используется в комбинации с родием и платиной. Высокая стоимость палладия приводит к поиску альтернатив, однако его уникальная эффективность для бензиновых двигателей сохраняет за ним лидирующие позиции.

Электроника и электротехника

Благодаря высокой коррозионной стойкости и хорошей электропроводности палладий применяется в производстве:

• Многослойных керамических конденсаторов (MLCC) — палладий используется в электродах.
• Контактов и разъёмов для высоконадёжной электроники (авиация, космическая техника, медицинское оборудование).
• Тонкоплёночных резисторов и проводящих дорожек в гибридных интегральных схемах.

Химическая промышленность

Палладий является эффективным катализатором во многих химических процессах:

• Гидрирование и дегидрирование органических соединений.
• Процесс получения уксусной кислоты из метанола и оксида углерода (карбонилирование).
• Синтез винилацетата.
• В органическом синтезе широко используются катализаторы на основе палладия, такие как тетракис(трифенилфосфин)палладий(0) и палладий на угле (Pd/C).

Ювелирное дело

Палладий используется в ювелирной промышленности как самостоятельный металл и как компонент сплавов (например, белого золота). Белое золото с добавлением палладия не требует родирования (покрытия родием), так как имеет естественный белый цвет. Из чистого палладия изготавливают обручальные кольца, серьги и другие украшения. Металл гипоаллергенен и не тускнеет со временем. В России и странах СНГ палладий имеет пробы 500, 850 и 950.

Медицина

Палладий и его сплавы применяются в стоматологии для изготовления коронок, мостов и зубных протезов. В онкологии используются препараты на основе палладия (аналоги цисплатина) для химиотерапии. Благодаря биосовместимости палладий используется в производстве кардиостимуляторов и других имплантируемых медицинских устройств.

Водородная энергетика

Способность палладия селективно пропускать водород используется в мембранных технологиях для получения сверхчистого водорода. Палладиевые мембраны применяются в топливных элементах и в процессах разделения газовых смесей.

Рынок и экономическое значение

Палладий является стратегическим сырьём и биржевым товаром. Цена на палладий подвержена значительным колебаниям, которые зависят от спроса со стороны автомобильной промышленности, объёмов добычи (особенно в России и ЮАР), геополитической ситуации и спекулятивных факторов. Исторически палладий часто стоил дешевле платины, однако с середины 2010-х годов, в связи с ужесточением экологических норм в Китае и Европе, спрос на палладий резко вырос, и его цена превысила цену платины. В 2021 году цена на палладий достигала исторических максимумов (более 3000 долларов за тройскую унцию). Рынок палладия характеризуется высокой концентрацией предложения: на Россию (в первую очередь компанию «Норникель») и ЮАР приходится около 80% мировой добычи.

Интересные факты

• Палладий может растворять водород в объёме, превышающем собственный объём почти в 1000 раз. При этом металл набухает и может разрушаться.
• В 1803 году Волластон назвал новый элемент в честь астероида Паллада, открытого в 1802 году. Сам астероид был назван в честь древнегреческой богини Афины Паллады.
• Палладий — один из немногих металлов, который может быть получен в виде тончайшей фольги толщиной до 0,001 мм.
• В некоторых странах (например, в Японии) палладий используется в производстве монет для инвестиционных целей.
• Способность палладия катализировать окисление метана используется в датчиках утечки газа.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2.
• Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. — М.: Мир, 1969. — Ч. 3.
• Справочник по драгоценным металлам / Под ред. Е. М. Савицкого. — М.: Металлургия, 1984.
• Данные Геологической службы США (USGS) по минеральным ресурсам.