Палладийx

Выполнил: Сенча Александр Сергеевич.
Палладий
применяют
довольно
широко —
от автомобильной
промышленности до пищевой, и совершенно ясно, что его потенциал пока
раскрыт не до конца. Даже поверхностный обзор современных исследований,
связанных с палладием, выявил совершенно неожиданные области,
в которых также можно использовать этот благородный металл. Но всётаки самые головокружительные перспективы связаны именно с водородной
энергетикой, поскольку палладий по отношению к водороду проявляет
уникальные свойства.
Серебристо-белый палладий внешне очень похож на платину. Палладий —
самый
лёгкий
из платиновых
элементов
и самый
легкоплавкий(температура плавления 1552°С). Разогретый палладий хорошо
куётся и сваривается, впрочем, по сравнению с другими металлами
платиновой группы он довольно мягкий и даже при комнатной температуре
легко обрабатывается. Для техники важно и другое свойство: например,
твёрдость палладия 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 18,5 кг/мм2, но если к палладию
добавить 4% рутения и 1% родия, то предел прочности удвоится. Часто
он и сам выступает как легирующий элемент. добавка 0,1% палладия делает
титан устойчивым против серной и соляной кислот, а 1% палладия повышает
химическую стойкость некоторых сортов нержавеющей и высокохромистой
стали.
Очень привлекательны 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. Не случайно на палладий при нормальной температуре
не действует даже фтор. Но, как и у прочих благородных металлов,
„благородство“ палладия имеет предел: при температуре 500°C и выше
он может взаимодействовать не только с фтором, но и с другими сильными
окислителями.
В соединениях
палладий
бывает двух-, трёхи четырёхвалентным, но чаще всего он двухвалентен. Как и все платиновые
металлы, он образует множество комплексных соединений. Сейчас известны
многие тысячи комплексных соединений палладия. Можно без
преувеличения
сказать,
что
координационная
химия
и химия
металлоорганических соединений обязаны своим развитием именно
платиновым металлам.
Крупнейшие
потребители
палладия — автоконцерны (см.
табл.), которые используют его
в катализаторах
дожигания
выхлопных
газов(нейтрализаторах).
На втором
месте
производители
электроники.
И только потом по мере убывания идут: медицина и стоматология,
химическая промышленность, ювелирная промышленность и прочие.
Как и все платиновые металлы, элемент № 46 — отличный катализатор.
В присутствии палладия начинаются и идут при низких температурах многие
практически важные реакции. Гидрирование органических продуктов
палладий ускоряет даже лучше, чем такой испытанный катализатор, как
никель.
Многие
крупнотоннажные
производства
неорганических
и органических продуктов — серной, азотной, уксусной кислот, аммиака,
хлора,
каустической
соды,
удобрений,
взрывчатых
веществ,
высокооктанового бензина, фармацевтических препаратов, волокон
и полимеров не обходятся без катализаторов из этого благородного металла.
В электронике палладий широко применяют для изготовления многослойных
керамических конденсаторов, которые используют в производстве
мобильных телефонов, пейджеров, компьютеров, широкоэкранных
телевизоров и других электронных приборов.
Палладий и водород. Водород растворим во многих металлах. Но только
палладий буквально „впитывает“ его в себя. При комнатной температуре
один объём палладия поглощает до 900 объёмов водорода. Палладий нацелен
именно на него, другие же газы, например кислород, он поглощает хуже, чем
платина. Видимо, дело в том, что палладий образует гидриды либо твёрдые
растворы с водородом. Более того, водород — единственный газ, который
проходит сквозь палладий. Есть мнения, что на границе с металлом водород
распадается на атомы и в таком виде просачивается внутрь и проходит
насквозь. Как бы то ни было, это энциклопедический факт — избирательное
поглощение водорода палладием и диффузия его через любой слой этого
металла.
На этом свойстве основано получение сверхчистого водорода. Легчайший
из газов получают либо из метана с помощью конверсии, либо из воды
электролизом. И в том и в другом случае абсолютно чистый водород
получить
не удаётся.
Для очистки
водорода
палладий (или
его сплавс серебром) незаменим: здесь используется уникальная способность
водорода
с огромной
скоростью
диффундировать
через
тонкую (до 0,1 мм)палладиевую пластинку. 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, 02, N2) задерживаются в трубках. Таким образом можно
получать особо чистый водород — с концентрацией 99,9999%. Заметим, что
для работы водородного топливного элемента нужен именно такой
сверхчистый водород.
В будущих водородных технологиях палладий потребуется не только
для получения чистого водорода, но ещё как минимум в двух ключевых
моментах. Во-первых, один из электродов в топливном элементе может
содержать палладий в каталитических количествах. Во-вторых, палладиевые
катализаторы используются в реакциях получения водорода из жидких
углеводородов, например из метанола.
С помощью палладия можно попробовать решить проблему хранения
водорода. А это пока один из лимитирующих моментов развития водородной
энергетики. Поглощённый палладием водород легко выходит в вакуум
при небольшом нагреве. Но эта технология хранения очень дорогая, поэтому
пока специалисты считают более перспективными другие способы хранения
и перевозки водорода.
Как найти микротрещину в металле? В металлических конструкциях
часто появляются микроскопические дефекты, грозящие им разрушением.
При переходе от упругой деформации металла к пластической, то есть
при образовании механических повреждений, из металла выделяется очень
небольшое количество водорода. Чтобы обнаружить эти ничтожные
количества газа и узнать тем самым о появлении трещины, московские
учёные используют уникальный химический сенсор на основе Pdструктур с каталитически активным электродом. Это устройство разработано
в НИИ Курчатовский институт.
Новый катализатор для более чистых топливных элементов. Для повышения
эффективности катализатора можно уменьшать размер входящих в него
частиц, пытаясь повысить площадь рабочей поверхности, а можно изменять
структуру расположения поверхностных атомов.
Новый катализатор имеет древовидную наноструктуру: палладиевый
сердечник или «ядро» размером около 9 нм поддерживает прикрепленные к
нему «ветви» из платины длиной 7 нм. В одном из вариантов технологии для
синтеза таких образований использовали взвесь предварительно
подготовленных нанокристаллов палладия, к которой добавляли водный
раствор поливинилпирролидона(стабилизатора Е1201) и аскорбиновой
кислоты (витамин С). Полученную смесь нагревали до 90 °C, после чего к
ней добавляли раствор тетрахлороплатината калия K2PtCl4. На завершающем
этапе процесса смесь выдерживали в течение 3 часов при 90 °C, а затем
охлаждали.
Экспериментальная проверка
свойств
созданных
нанодендритов показала, что
при комнатной температуре их
эффективность (в пересчете на
единицу
массы
платины)
превосходит эффективность
современных
образцов
платиновых катализаторов в
2,5 раза (при сравнении с
другими распространенными
катализаторами преимущество
еще больше) и практически
соответствует
жестким
требованиям
Министерства
Энергетики США.
Изображение наноструктур из палладия и платины,
полученное с помощью просвечивающего электронного
микроскопа. Тесты показали, что биметаллический
катализатор имеет существенно более высокие рабочие
параметры по сравнению с известными коммерческими
образцами, что может более эффективной и дешевой
технологии топливных элементов и совершенно очевидно –
способствовать более высокой степени очистки.
Следует отметить, что представленное достижение, вряд ли можно считать
прорывом в конструировании топливных элементов, поскольку для
катализаторов использованы все те же благородные металлы: платина,
палладий и золото… однако, это, безусловно, новый успех нанотехнологии.
Cборка молекулярного конструктора на атоме палладия.
Связь углерод—углерод, пожалуй, самая важная химическая связь для всего
живого на земле.
Нобелевская премия 2010 года присуждена за новый метод создания углеродуглеродной связи. Нобелевский комитет присудил премию Ричарду Хеку (Richard
F. Heck), Ей-ичи Негиши (Ei-ichi Negishi) и Акира Сузуки (Akira Suzuki) «за
применение реакций кросс-сочетания с использованием палладиевых
катализаторов в органическом синтезе». Реакциями кросс-сочетания называют
такие органические реакции, в ходе которых химическая связь образуется между
двумя атомами углерода, находящимися в составе разных молекул.
До начала «эры палладия», которую открыли работы нынешних лауреатов,
химикам-органикам приходилось синтезировать сложные молекулы из блоков в
несколько стадий. За счёт высокой активности реагентов в реакциях
образовывалось такое количество побочных соединений, что выход конечного
продукта оказывался мизерным. Использование палладия стало очень удачным
выходом из положения. Он оказался идеальным «местом встречи» атомов
углерода. На атоме палладия два атома углерода располагаются так близко друг к
другу, что между ними может начаться взаимодействие. Реакция на палладии
протекает с высоким выходом нужного продукта без нежелательных побочных
процессов.
Нобелевские лауреаты нынешнего
года разработали методики для
двух типов реакций с участием
палладия. В обеих реакциях
взаимодействуют два реагента —
электрофильный (с дефицитом
электронной
плотности)
и
нуклеофильный
(с
избытком
электронной плотности). В качестве электрофильного агента всегда
выступает молекула углеводорода (R), в котором концевой атом водорода
замещён на атом галогена (Х=хлор, бром, иод). А вот нуклеофильные агенты
различаются — в одном случае (схема 1) используется молекула олефина
(линейного углеводорода с одной двойной связью), а в другом (схема 2) —
металлоорганическое соединение (М=цинк, бор или олово). Сначала
образуется комплекс атома палладия с электрофильным агентом, а затем этот
комплекс взаимодействует с нуклеофильным соединением.