奇妙的化学元素 | 稀有贵金属，催化剂王者--钯

钯的特性

钯（Palladium），元素符号Pd，钯的原子序数为 46，相对原子质量为 106.42。位于元素周期表中的第五周期Ⅷ族。属于铂系元素。电子层排布为2-8-18-18。

钯单质

物理性质：

钯是一种带有银白色光泽的金属，外观与铂金相似。密度为12.023 g/cm³，在铂族金属中密度最低，因此比铂金轻。硬度较软为4~4.5，比铂金稍硬。有良好的延展性和可塑性能，适合锻造、压延和拉丝。钯的熔点是铂族金属中最低的，是1554℃，沸点为2970℃。导电性和导热性好。

钯具有优秀的吸氢性，块状金属钯能吸收大量氢气，使体积显著胀大变脆乃至破裂成碎片。常温下，1体积海绵钯可吸收 900 体积氢气，1体积胶体钯可吸收1200体积氢气。加热到40~50℃吸收的氢气即大部分释出，而钯金属可以继续循环利用，因此广泛地用作气体反应，特别是氢化或脱氢催化剂。

化学性质：

钯金的化学性质稳定，常温下在空气和潮湿环境中稳定，不易氧化、生锈和腐蚀。不溶于氢氟酸，能耐磷酸、高氯酸、盐酸和冷硫酸，但可缓慢溶于王水和热的浓硫酸及浓硝酸、熔融的氢氧化钠、碳酸钠、过氧化钠。

常温下钯金不易氧化，但温度在400℃左右时表面会产生氧化物，加热至800℃，钯表面形成黑色的一氧化钯薄膜。

钯可与氯气等卤素反应，生成二氯化钯、溴化钯等；还可与甲烷、甲酸、乙酸等有机物发生反应；能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；可与硫酸氢盐反应生成硫酸钯，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二氯化钯。容易形成配位化合物，如 K₂(PdCl₄)、K₄(Pd (CN)₄) 等。

钯的检测方法：

化学分析法：包括重量法、滴定法和显色法。重量法通过化学反应前后样品的重量差来计算钯含量；滴定法使用指示剂通过颜色变化判断化学反应是否完成；显色法利用钯与特定试剂的显色反应，通过比色法测定钯含量。

光谱分析法：包括原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和紫外可见光谱法。原子吸收光谱法利用钯原子的电子跃迁吸收光谱现象；原子荧光光谱法通过钯原子激发态转化时发出的荧光光谱；紫外可见光谱法根据样品对光的吸收情况。

电化学分析法：包括电位滴定法、导电极法和旋转圆盘电极法。电位滴定法通过测定钯的电位变化来计算含量；导电极法利用样品与电极间的电导差异分析；旋转圆盘电极法利用旋转圆盘电极进行电化学分析。

钯的发现和发展

William Hyde Wollaston（1766-1828）

18世纪与19世纪之交，元素学说在欧洲已经被普遍接受。新大陆的发现、新矿石的开采，以及化学分析技术的进步，共同催生了一个元素大发现的时期。

铂就是在这一时期被发现的，它稀有而贵重，但因为硬度高而难以被铸造加工。为了拓展铂的商业应用，英国人威廉·海德·沃拉斯顿（William Hyde Wollaston）和史密森·特南特（Smithson Tennant）在一个投资项目中开展合作。这两个人都是出色的化学家，他们不仅成功找到一种将铂加工成型的方法，而且还在之后的几年时间里，几乎平分了铂矿石中其他未知元素的发现。

1802年，沃拉斯顿在研究铂矿石的过程中，仔细检查已经提取过铂的王水（一种盐酸和硝酸的浓溶液）残留液，并在溶液中发现了一种未知的金属元素。最初，沃拉斯顿在自己的实验记录中称这种新元素为“C”。“C”代表 “ Ceresium”，这是一个1801年刚发现的小行星的名字（中文名：谷神星）。

1802年3月，又有一个被称为Pallas的小行星（智神星）被发现，Pallas一词来自希腊神话中掌管智慧的女神。沃拉斯顿在得知这一发现后，也与时俱进，改称新元素为Palladium。有趣的是，被沃拉斯顿弃之不用的Ceresium，很快就被瑞典科学家用于命名一种新发现的稀土元素——铈（Cerium） 。由此可见，200多年前的科学家中不乏“追星一族”，当时天文学的发现对整个科学界有着巨大的影响。

1803年，伦敦的很多科学家收到了一份神秘的广告宣传单。宣传单中称 “钯”为“新银”（new silver），是一种新的贵金属，并列举了钯的一些物理化学性质。宣传单并没有提到谁是钯的发现者，而只是指明Forster先生是独家销售代理。一份钯样品的价钱，约是当时同等黄金价格的6倍。

策划这波神秘宣传的人正是沃拉斯顿。他经过一番计算，发现这种新发现的钯元素在铂矿石中的含量很少，这意味着它很可能比铂更为稀有和贵重。于是，沃拉斯顿动起了小心思。他一方面不希望因公开实验细节而很快引来竞争者，另一方面又急于表明自己发现了一种新元素。总之，在一番纠结之后，沃拉斯顿没有遵从常规的学术交流方式，而是先将这种陌生的金属作为新奇物品出售了。

这种高价出售神秘金属的做法，很快引起大家关注，这其中就包括化学家理查德·谢纳维克斯（RichardChenevix）。他怀疑这是一场骗局，于是就从Forster的商铺购买了不少样品，并对这种金属进行了仔细研究。尽管他发现样品的性质很符合宣传单中的描述，却仍然固执的认为这是一种是汞和铂的合金，只是他始终无法证明样品中存在铂和汞。

1804年，人们在对这种新奇金属的疑惑中度过了一年，直到1804年才弄清真相。这一年， 沃拉斯顿在铂矿石中又提取到一种新元素——铑（Rhodium）。几乎在同一时期，他的合作伙伴特南特在致英国皇家学院的信中公开了铱（Iridium）和锇（Osmium）的发现，这是在铂矿石不溶于王水的残渣中提取到的两种新元素。

或许是受到特南特的影响，沃拉斯顿一改先前的遮遮掩掩，很快在学术刊物Philosophical Transactions上发表了铑的发现，其中还顺便提及了钯的由来。

1805年，沃拉斯顿才在另一篇学术论文中明确透露自己是钯的发现者，并对金属钯的特性进行了全面而令人信服的描述。

钯不受重用的状态在二战结束后，有了很大改观。伴随二战后欧洲重建工作，人们对于塑料和精细化工品的需求呈现爆炸式增长。德国化学家Walter Hafner起初希望借助含钯催化剂从乙烯合成环氧乙烷，却意外得到了另一种重要的化工原料乙醛，后来这一方法实现了商业化生产，并被称为瓦克尔法（Wacker process）。自此，钯作为催化剂开始在有机合成反应中崭露头角。

为制造复杂的有机分子，人们常需要通过化学反应将不同分子中的碳原子连接在一起。但是在有机分子中碳原子与相邻原子之间的化学键往往非常稳定，不易与其他分子发生反应。用钯作为催化剂则可以解决这个问题。钯原子就像“媒人”一样，把不同的碳原子吸引到自己身边，使碳原子之间的距离变得很近，容易结合。这种结合在有机化学中常被称为“碳-碳偶联反应”。

熟悉高等有机化学的人可以轻松举出不少钯催化的有机合成的反应，很多有机合成大师也都是使用钯催化剂的高手。

2010年，理查德·赫克（Richard F． Heck）、根岸英一（Ei-ichi Negishi）和铃木章（Suzuki Akira）三人还因对“有机合成中的钯催化交叉偶联反应”作出的突出贡献，荣获当年诺贝尔化学奖。

钯在有机合成以及生物医药中的应用日益广泛，但由于这些应用往往只需要毫克量级的钯元素，并非大宗商品，所以还不足以解释它近年来价格的飞涨。

如今，钯最大的用途是在汽车工业(包括氢燃料电动汽车）。汽车底盘的排气管路中有一个非常重要也非常昂贵的器官——三元催化器。它可以利用废气中残余的氧气和排气温度，使发动机排出的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等有害物质，转化成几乎无害的二氧化碳、水和氮气。

钯的来源

钯金

钯在地球上的储量稀少，采掘冶炼较为困难，属稀有贵金属系列的范畴。钯金在地壳中的含量约为一亿分之一，地壳中的丰度约为 0.015mg/kg，储量甚至只有铂金的1/6，每年总产量不到黄金的8%。而且世界上只有北美、俄罗斯和南非等少数国家出产。

从全球钯金储量数据来看，2023年全球储量7.1万吨，其中南非占88.73%，俄罗斯占7.75%，津巴布韦占1.69%。可以发现，南非和俄罗斯储量合计占比达到96%以上，几乎是全部了。

从产量数据来看，2023年全球产量210吨，其中俄罗斯占43.81%；其次是南非，占33.81%，两者占比合计达77.62%，集中度比较高。

国内铂族金属矿产资源自然储量87.06吨，主要分布在甘肃省、云南省等地，据同花顺数据，自2018年至今，国内钯年度产量为1.3吨，变化不大。从进口数据来看，国内钯进口量在2003年至2011年间处于快速增长，自5吨上升至接近30吨。平均来看，年度进口量在25吨附近。对比年度国产1.3吨和年度进口25吨的体量，可以发现国内对于钯的进口依赖较大。

钯金常与其他铂系元素一起分散在冲积矿床和砂积矿床的多种矿物〔如原铂矿、硫化镍铜矿、镍黄铁矿等）中。

钯常与铂伴生，产量小于铂。在矿物分类中铂族元素属自然铂亚族，包括铱、铑、钯、铂等自然元素矿物。它们彼此间广泛存在类质同象置换现象，从而形成一系列类质同象混合晶体。这些元素之间的物理、化学性质有着很大的相似之处。特别是钯和铂这两种贵金属像兄弟一样很相似。这两种金属的冶金性质相当类似因其同样稀有、用途相类似常在各种应用上互作替代品。

钯的用途

珠宝领域：

钯金因其银白色的光泽、良好的延展性和硬度，能耐酸的侵蚀，是制作珠宝首饰的理想材料。它可以单独制成各种款式的首饰，如戒指、项链、耳环等，也可以与其他贵金属如黄金、铂金等混合使用，制作出独特的合金首饰。钯金制成的首饰不仅具有铂金般自然天成的迷人光彩，而且经得住岁月的磨砺，历久如新。

钯金首饰

化学领域：

钯金是许多化学反应的优良催化剂。在有机合成反应中，如加氢反应、脱氢反应、氧化反应和羰基化反应等，钯催化剂能够显著提高反应效率和选择性。例如，在药物合成和精细化学品生产中，钯催化的反应可以精确地构建复杂的有机分子结构。

钯金具有吸收和释放氢气的特性，可用于氢气的存储和分离。这对于氢能源的开发和利用具有重要意义，例如在氢燃料电池的氢气供应系统中，钯金可以帮助有效地存储和释放氢气。

氯化钯还用于电镀，四硝基钯酸钠和其他络盐用作电镀液的主要成分；氯化钯及其有关的氯化物用于循环精炼并作为热分解法制造纯海绵钯的来源。

在精细化工中，用于合成香料、染料等有机化学品，像合成一些具有特殊香气的香料分子，通过钯催化反应可以精准地引入官能团，改变分子结构以获得理想的香味。

汽车领域：

汽车尾气净化：钯金在汽车催化转化器中起着关键作用。它能够催化汽车尾气中的有害气体，如一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物，使其转化为无害的二氧化碳、水和氮气。例如，在三元催化转化器中，钯与铂、铑等金属协同工作，有效减少尾气污染，对环境保护具有重要意义。

燃料电池汽车：钯金在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中有潜在的应用。它可用于制造电极材料，促进氢气和氧气的电化学反应，将化学能转化为电能，为汽车提供动力。

电子领域：

电子元器件：钯金用于制造多层陶瓷电容器（MLCC）的电极。这些电容器广泛应用于电子产品中，如智能手机、电脑、平板电脑等，能够稳定电路中的电压和电流。钯金的高导电性和化学稳定性使其成为制造高质量电极的理想材料。

半导体制造：在半导体生产过程中，钯金可用于制造金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备的部件。这些部件需要具备良好的耐高温和耐腐蚀性能，以确保半导体材料的高质量沉积。此外，钯金还用于制造半导体芯片的互连材料，提高芯片的性能和可靠性。

传感器制造：钯对氢气有独特的吸附和反应特性，因此被广泛用于氢气传感器的制造。当钯与氢气接触时，会发生物理吸附和化学吸附，导致钯的电学性质（如电阻等）发生变化。基于这种原理制造的氢气传感器可以用于检测工业生产过程中的氢气泄漏，例如在炼油厂、化工厂等可能产生氢气的场所，能够及时发现安全隐患。同时，在新能源领域，如氢燃料电池汽车中，也可以用于监测氢气的浓度，确保系统的安全和高效运行。

医疗领域：

钯在某些科学研究和医疗设备中有所应用。例如，钯化合物被用于某些生物标记技术，有助于疾病的诊断和治疗。此外，钯碳免疫吸附疗法也被用于治疗某些类型的癌症。

钯金与人体组织具有良好的相容性，并且具有较好的耐腐蚀性和机械性能。因此，它被广泛用于制造牙科修复体，如牙冠、牙桥和假牙等。在牙科领域，钯金合金能够提供持久的修复效果，同时减少对人体口腔组织的不良影响。

在药物合成中，许多复杂的有机分子结构需要通过精确的碳 - 碳键形成来构建。以一种抗癌药物的合成为例，利用钯催化的交叉偶联反应，可以将含有特定官能团的两个有机分子连接起来，从而构建出具有生物活性的化合物。

其他领域：

钯是航天、航空、航海、兵器、核能等领域不可缺少的关键材料也是国际贵金属投资市场上不容忽略的投资品种。在制造某些特殊性能的玻璃时，也会用到钯，如显微镜、望远镜的镜头等，能够提高成像的清晰度和质量。

钯的危害

钯粉

健康危害：

吸入危害：钯及其化合物的粉尘或烟雾被人体吸入后，可能会沉积在呼吸道，对呼吸道黏膜产生刺激。长期或高浓度吸入可能引起咳嗽、气喘、呼吸困难等症状。某些钯化合物，如氯化钯（PdCl₂），在吸入后可能会在体内发生化学反应，产生的离子态钯有可能进入血液循环，对人体的其他器官和系统造成潜在危害。

皮肤接触危害：皮肤直接接触钯或其化合物，可能会引起皮肤过敏反应。表现为皮肤发红、瘙痒、皮疹等症状。对于一些皮肤敏感的人群，接触钯首饰等含钯制品也可能出现类似的过敏情况

摄入危害：如果钯通过口腔摄入人体，例如在一些意外情况下（如工作场所钯污染的食物摄入），钯及其化合物可能会在胃肠道内被吸收。它们可能会干扰人体的正常生理功能，对胃肠道产生刺激，引起恶心、呕吐、腹痛等症状。此外，钯在体内可能会与某些生物分子相互作用，影响人体的代谢过程。

环境危害：

对土壤的影响：钯在工业生产和使用过程中产生的废弃物如果进入土壤，会改变土壤的化学性质。钯可能会与土壤中的有机物、矿物质等成分发生反应，影响土壤微生物的生存环境。例如，钯可能会抑制某些对土壤肥力至关重要的微生物的活性，如固氮菌等，从而间接影响土壤的肥力和植物的生长。

对水体的影响：含钯的工业废水排放到水体中，会造成水体污染。钯在水中可能会以不同的化学形态存在，部分钯离子可能会与水中的其他离子（如氯离子、硫酸根离子等）结合，形成复杂的化合物。这些化合物可能会对水生生物产生毒性作用。例如，一些研究表明，高浓度的钯对水生藻类的生长有抑制作用，会破坏水体的生态平衡。

对大气的影响：在涉及钯的熔炼、加工等过程中，如果没有有效的废气处理措施，钯的粉尘和挥发性化合物会释放到大气中。这些颗粒物和化合物可能会参与大气中的化学反应，如光化学反应等。虽然钯本身不是大气污染物监管的重点物质，但它的存在可能会对大气环境产生间接的影响，如改变大气颗粒物的化学组成等。

防护措施：

个人防护：在处理含钯元素的物品时，应佩戴防护服、口罩和手套等个人防护装备。避免长时间接触或吸入钯蒸气、粉尘等有害物质。

健康监测：定期进行职业健康检查，及时发现和处理与钯相关的健康问题。如有不适症状，应立即就医并告知医生可能的钯暴露史。

环境保护：加强工业废水处理，确保含钯废水在排放前达到环保标准。推广环保技术和设备，减少工业生产对环境的污染。

总结

钯，作为一种极具价值的贵金属，在众多领域发挥着不可替代的作用。从汽车尾气净化，助力改善空气质量，到化工领域作为有机合成反应的高效催化剂，推动药物与材料的创新；从电子工业里用于制造关键元器件，保障电子设备稳定运行，到珠宝行业呈现独特的饰品魅力等等，无不彰显其重要性。未来，钯的应用将会更加广泛，同时也将为实现可持续发展目标作出更大的贡献。

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