钯(bǎ,英语:Palladium),一种金属元素,位于 元素周期表 第五周期第ⅧB族,化学符号为Pd,原子序数为46,原子量为106.42g/ 摩尔 ,属于铂族金属,是一种具有光泽的银白色金属, 立方晶系 , 相对密度为12.023g/cm3(20℃), 熔点 1554.8 ℃, 沸点 2963 ℃。
钯质地较软,具有较好的延展性和可塑性。钯的化学性质较稳定,耐酸腐蚀,可与多种金属、非金属物质发生反应。
钯主要作为催化剂应用于各类化学反应中,可用于制造珠宝饰品、牙科材料、电子器件等。钯具有优良的加氢催化活性,在新能源领域中有着重要地位。
钯对皮肤和眼部有刺激作用,接触后应立即用清水冲洗,并及时就医。
发现历史
1803年, 英国 化学家 威廉•海德•沃拉斯顿 (William Hyde Wollaston)用 王水 溶解铂矿时,发现了钯。钯是航天、航空等高科技领域不可缺少的关键材料之一。他最开始为纪念 小行星 “谷神星”将这种金属命名为:“Ceresium”,并以“PI”为其元素符号。但是,最终他确定 “Palladium”(中文译为钯)为新金属的名字,并“Pd”为元素符号,用于纪念小行星“Pallas Athena”的发现。
1803年4月,部分科学家对新金属“Palladium”的出现持怀疑态度。基于此, 英国 化学家契尼维克斯(Richard Chenevix),对新金属“Palladium”的性能和化学性质进行检测,最终证明“Palladium”不是由铂与其他元素形成的合金,确实是一种具有与铂不同性质的新元素。
理化性质
物理性质
钯是一种类似铂的银白色金属,质地较软,具有较好的 延展性 和可塑性,在 铂族金属 中密度和 熔点 最低,密度为12.023g·cm −3 ,熔点为1555 ℃。 退火 时柔软且具有延展性,冷加工时可提升强度和硬度。
化学性质
钯具有0、+1、+2、+3、+4价态,其中+2与+4价最常见。钯 化学性质 较稳定,耐酸腐蚀,可缓慢溶于热 发烟硝酸 、热 浓硫酸 以及常温状态下的 王水 。常温下钯不与氧发生反应,但加热至800℃时,钯会与 氧气 反应生成 氧化钯 。钯还可有效地 催化 各类加氢反应、 歧化反应 、氧化反应、异构反应等。
与金属反应
钯可与金属在高温下熔融。
与非金属反应
钯可在碳粉存在条件下与二氧化硅反应。常温下钯不与氧发生反应,但加热条件下金额与纯氧反应生成黑色的氧化钯。钯与氟气(F₂)在可控条件下进行反应,可以生成三氟化钯,还可与 氯 等 卤族元素 反应,生成 氯化钯 、溴化钯等。
与酸反应
钯可与 硝酸 、 硫酸 、热 盐酸 反应生成 硝酸盐 、 硫酸盐 、 二氯化钯 。
与碱反应
钯可与 氢氧化钠 或 氢氧化钾 熔液发生反应,但不与氢氧化钠 水溶液 发生反应。
与盐反应
钯可与 硫酸 氢盐反应生成 硫酸钯 ,还可在 盐酸 、硫酸同时存在的条件下与 氯酸盐 反应生成氯钯酸,还可与 氯化铜 等盐类发生反应生成 氯化钯 。
与有机物反应
化合物
氧化钯
纯钯粉与纯氧在750~800℃下反应生成纯的黑色 氧化钯 。氧化钯可用作 催化 剂催化反应的进行。
二氯化钯
钯可与热 盐酸 直接反应生成 二氯化钯 。PdCl 2 的 硝酸 溶液可与 冰醋 反应,生成 乙酸钯 ,还可与 配体 反应,生成具有平面正方形结构的 配位化合物 。二氯化钯可以用来制造各种 钯催化剂 。
硝酸钯
钯的络合物
钯可与配体反应形成多种零价钯的 络合物 。
生成的钯 配位化合物 具有较强的反应活性,是 催化 偶联反应的 催化剂 之一。
应用领域
催化领域
纳米级钯材料具有优异的催化活性,可有机小分子电氧化和 无机化合物 小分子电还原反应的进行。钯可与铜联合使用,制成具有较高催化活性的纳米颗粒。 钯还可作为外消旋化催化剂应用于动态 动力学 拆分中,具有催化效率高、选择性强、易制备和能够循环利用等优点。 钯还具有较高的 氢气 活化性能,可作为 炔烃 半加氢反应中的催化剂使用。 石油精炼时,用钯作催化剂可以提高汽油中的辛烷值并分离出芳香族碳氢化合物。 在化学工业中,钯也有重要应用:生产硝酸时用铂铑合金作催化剂,为了回收铂铑,会在催化剂外面放置钯金合金的罩子以吸收铂铑;此外,在用蒽醌法生产过氧化氢和植物油的硬化过程中,钯也是关键催化剂。
电子器件
电子电器工业中使用钯制成触头,用于电话替续器的制造。纯钯制成的锄头能有效降低噪音,延长电话替续器的寿命。此外,电子电器工业中还将含有60%钯的钯银合金制成精密 电阻 、60%钯的钯 铜合金 制成大容量继电器的触头、钯钌合金制成厚膜线路上的 电容 和电阻及振动式电压调压器中的触头。
医疗领域
钯具有良好的耐腐蚀性,同时与人体皮肤和 体液 具有良好的相容性,不易产生毒性和过敏的症状,因此常用Pd950合金等作为 牙科材料 用于制造齿冠、牙桥和其他牙科 假体 。此外,由于钯的 同位素 具有放射性,可激活人体基因,进而诱导 癌细胞 凋亡,常用于治疗癌症肿瘤。
钯还可与 联合,作为X线钼钯对人体 乳腺 进行 摄影 ,进而用于判断人体 乳腺纤维腺瘤 癌变情况。
珠宝饰品
钯可制成合金,应用于珠宝领域。高成色的钯合金饰品包括Pd990、Pd950、Pd850三种,其中Pd950使用数量最多。生活中, 钯合金 如铜钯合金、银钯合金可用于制作戒指、 耳环 、胸花饰品、链扣等。
新能源领域
钯可制成钯基非晶合金粉末,利用其自身优良的加氢催化活性、耐腐蚀性、高强度的特性,作为 燃料电池 的 阳极 催化剂 使用。此外由于钯可以高效的吸收 氢气 ,形成 氢化 钯PdH x (x<1),且在x接近1之前不会失去 延展性 ,因此常用于制造氢储存设备。
其他应用
钯还可用于制造专业的横向长笛。同时,钯也是一种贵金属投资商品,在经济金融领域有着重要地位。钯的重要用途之一是净化汽车尾气。汽车的排气管路中有一个三元催化器(装载了钯、铑、铂三种金属),可以促进尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物与氧气反应,转化为水、氮气和二氧化碳等较清洁物质。 该特性使钯在环境保护中具有显著优势和发展前景。
矿产资源提炼
选择性沉淀
基于分组溶解和沉淀的方法使钯从 铂族金属 共生的铂矿中分离。可通过加入 硝酸 、 氯 等 氧化剂 ,将二价钯氧化为四价钯,再加入(NH 4 ) 2 PdCl 6 生成钯的沉淀从而将钯分离。反应 方程式 如下:
还可采用氨配合法分离钯。通过加入NH 3 ·H 2 O使其他杂质生成 氢氧化物 沉淀,通过过滤除去。再向溶液中加入HCl酸化,生成淡黄色的Pd(NH 3 ) 2 Cl 2 沉淀, 烘干 并在 氢气 气氛中500~600℃下煅烧获得Pd。反应方程式如下:
溶剂萃取分离
基于贵金属不同 配位化合物 与 萃取剂 交互反应的差异,选择胺、 硫醚 、 亚砜 等有机 溶剂 作为萃取剂达到将钯分离的目的。
吸附沉淀
可采用活性炭、离子交换树脂(具有活性基团的 均聚物 )等选择性交换吸附钯元素。
湿法冶炼
可以把矿石或铜、镍的生产过程中生成的副产物作为原料,用湿法冶炼制得。湿法即把已提取镍、铜后的残留组分作为原料,加入王水进行抽提、过滤,得到含有金和钯(如H₂PdCl₄)配合物的溶液,再向滤液中加入氨和盐酸进行反应,生成氯钯酸铵沉淀。经精炼,过滤,把氯钯酸铵用氢气还原,制得约99.95%钯成品。
分布情况
钯的 宇宙 丰度 为0.675,太阳系丰度为1.39。 地球 上,钯在地球各圈层中含量较少,其中在 地核 中含量最多,为5.5*10 -6 ;下 地幔 次之,为0.12*10 -6 ; 上地幔 含量为0.09*10 -6 ; 地壳 中含量极微,为0.01*10 -6 ;平均含量为1.8*10 -6 。铂族元素在自然界中主要以自然金属和金属互化物、硫 化物等矿物形式存在,如硫钯铂矿((PtPd)S)、砷钯矿(Pd 5 As 2 )等。
供应全球钯的 矿石 主要来源于 美国 “Stillwater Complex”火成岩矿层、 俄罗斯 “Noril’sk-Talnakh”火成岩矿层、 南非 “Bushveld Complex”火成岩矿层和 津巴布韦 “Great Dyke”火成岩矿层。2006年探明的钯资源储量约为8700吨,主要集中在南非地区。
物质结构
钯的 电子 组态为[Kr] 4d 10 5s 0 , 恩里科·费米 表面形状复杂,由两个电子面与两个带d带 空穴 面组成,存在空穴 费米面 ,平均空穴数为0.375,费米能量为1.123*10 -18 J。
钯的 晶体结构 为密堆型 立方晶系 [Cu(Al)型], 配位数 为12。20℃下,钯的晶格 常数 为0.38902nm, 原子 间距为0.27508nm。
同位素
自然界中存在的钯具有七种不同的 同位素 ,其中六种是稳定存在的, 106 Pd 丰度 最高。人造钯的同位素中 质量数 为125~128和91的同位素最稳定, 107 Pd 半衰期 最长,为650万年。当同位素的原子质量小于自然界中最稳定存在的同位素( 106 Pd)时,最主要的 衰变 模式为 电子 捕获,主要的衰变产物为 (Rh);当同位素的原子质量大于 106 Pd时,其主要的衰变模式为β衰变,主要的衰变产物为银(Ag)。 103 Pd半衰期为17天, 100 Pd半衰期为3.63天, 101 Pd半衰期为8.47小时、 109 Pd半衰期为13.7小时、 112 Pd半衰期为21小时,此外其他钯的 同位素 半衰期均小于30分钟。
安全事宜
代谢
生命体内一般不含钯,进入生命体的钯不参与体内的任何生化代谢。经口摄入的钯及其盐类,几乎全部通过粪便排出体外;吸入的钯及其盐类绝大多数滞留于肺部;注射可溶性钯盐后,钯盐经由血液迅速转移到其他器官,经肝肾等器官后,主要通过尿液排出体外。
毒性
钯及其盐类的急性毒性比铂及其盐类高。实验证明 家兔 静脉快速注入0.6mg/ kg 钯盐可迅速致死,主要原因为内脏坏死,腹腔脏器粘连。少量的钯盐摄入不会立即致死,但会导致生长迟缓,个别生物体内长出恶性肿瘤。钯对人的皮肤和眼部有刺激作用,接触可能引起 接触性皮炎 、红斑和水肿。
急救措施
眼睛接触应立即用清水冲洗眼睛,在前往医院的过程中,用 生理盐水 连续冲洗。摄入钯后,不要使用催吐剂,若误食者能够吞咽,可 漱口 ,并以5毫升/公斤的水量进行稀释。