Сергей Венецкий - О редких и рассеянных. Рассказы о металлах
Сегодня, когда с относительной точностью подсчитано содержание всех элементов в земной коре, известно, что палладия в ней примерно в десять раз больше, чем золота. Однако общие запасы палладия, как и других металлов платиновой группы, довольно скудны — всего 5*10-6 %, хотя геохимики могут назвать около 30 минералов, в которые входит этот элемент. В отличие от других платиноидов, палладий, как и сама платина, встречается также в самородном состоянии. Как правило, при этом он содержит примеси платины, иридия, золота, серебра. Нередко палладий и сам находится в природе в виде примеси к самородной платине или золоту. В Бразилии, например, найдена редчайшая разновидность самородного золота (порпецит), в котором содержится 8-11 % палладия.
Поскольку россыпные месторождения палладия довольно редки, основным сырьем для его получения служат сульфидные руды никеля и меди. Палладию, правда, принадлежит при этом скромная роль побочного продукта переработки руд, но он от этого не становится менее ценным. Крупными залежами таких руд располагают Трансвааль и Канада. А сравнительно недавно советские геологи нашли в районе Норильска обширные месторождения медно-никелевых руд, для которых характерно присутствие платиновых металлов, главным образом палладия.
Этот элемент имеется не только на нашей планете — «водится» он и на других небесных телах, о чем свидетельствует состав метеоритов. Так, в железных метеоритах на тонну вещества приходится до 7,7 грамма палладия, а в каменных до 3,5 грамма. То, что на Солнце есть пятна, известно всем. А вот то, что на Солнце есть палладий, знают, видимо, далеко не все. Ученые обнаружили там палладий одновременно с гелием, еще в 1868 году.
Несмотря на то, что палладий примерно в полтора раза тяжелее железа, среди своих «коллег»-платиноидов он прослыл легковесным: по плотности (12 г/см3) он значительно уступает осмию (22,5), иридию (22,4), платине (21,45). Плавится он также при более низкой температуре (1552 °C), чем другие металлы платиновой группы. Палладий легко обрабатывается даже при комнатной температуре. А поскольку он довольно красив, отлично полируется, не тускнеет и не корродирует, ювелиры охотно взяли его в работу: из него изготовляют, например, оправы для драгоценных камней.
Мы уже привыкли к таким газетным штампам, как «черное золото» — так величают нефть, «мягкое золото» — мех, «зеленое золото» — лес. Когда говорят о «белом золоте», обычно подразумевают хлопок. Но, оказывается, золото может быть белым в самом прямом смысле: даже небольшие добавки палладия снимают «с лица» золота желтизну и придают ему красивый белый оттенок. Часы, оправы для драгоценных камней, браслеты из белого золота очень эффектны.
Весьма приятным оказалось знакомство с палладием и для титана. Известно, что этому металлу присуща высокая коррозионная стойкость: даже такие всеядные «хищники», как царская водка или азотная кислота, не могут «полакомиться» титаном, однако под действием концентрированных соляной и серной кислот он все же вынужден корродировать. Но если его немного «витаминизировать» палладием (добавка меньше 1 %), то способность титана сопротивляться этим окислителям резко возрастает. Такой сплав уже освоен нашими заводами: из него изготовляют аппаратуру для химической, атомной, нефтяной промышленности. За год пребывания в соляной кислоте пластинка из нового сплава теряет всего 0,1 миллиметра своей толщины, в то время как чистый титан за тот же срок «худеет» на 19 миллиметров. Раствору хлорида кальция сплав совсем не по зубам, а титану без примеси палладия приходится отдавать этому агрессору ежегодную дань — более двух миллиметров.
Каким же образом палладию удается столь благотворно влиять на титан? Причиной этого оказалось обнаруженное недавно учеными явление так называемой самопассивации (самозащиты) металлов: если в сплавы на основе титана, железа, хрома или свинца ввести буквально микродозы благородных металлов — палладия, рутения, платины, то стойкость сплавов против коррозии повышается в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз.
В лаборатории коррозии сплавов Института физической химии Академии наук СССР ученые испытали действие палладия на хромистую сталь. Детали из этого материала разъедаются многими кислотами за несколько дней. Дело в том, что положительные ионы металла при этом переходят в раствор кислоты, а из раствора в кристаллическую решетку металла проникают ионы водорода, которые охотно соединяются со свободными электронами. Образовавшийся водород выделяется и разрушает сталь. Когда же в кислоту погрузили деталь из той же стали, но с «гомеопатической» добавкой палладия (доли процента), коррозия металла продолжалась всего… несколько секунд, а затем кислота оказалась бессильной. Исследование показало, что кислота взаимодействует в первую очередь с палладием и тут же поверхность стали покрывается тончайшей окисной пленкой деталь как бы надевает на себя защитную рубашку. Такая «броня» делает сталь практически неуязвимой: скорость ее коррозии в кипящей серной кислоте не превышает десятых долей миллиметра в год (прежде она достигала нескольких сантиметров).
Сам палладий тоже легко попадает под влияние некоторых других элементов: стоит ввести в него, например, небольшое количество родственных металлов рутения (4 %) и родия (1 %), как его прочность на растяжение повышается примерно вдвое.
Сплавы палладия с другими металлами (главным образом серебром) используют в зубоврачебной технике — из него делают отличные протезы. Палладием покрывают особо ответственные контакты электронной техники, телефонных аппаратов и других электротехнических приборов. Из палладия изготовляют фильеры — колпачки с множеством мельчайших отверстий: в производстве тончайшей проволоки или искусственных волокон через эти отверстия продавливают специально подготовленную массу. Палладий служит материалом для термопар и некоторых медицинских инструментов.
Но, пожалуй, наибольший интерес представляют уникальные химические свойства палладия. В отличие от всех элементов, известных сегодня науке, он имеет на внешней орбите атома 18 электронов: иными словами, его наружная электронная оболочка заполнена до предела. Такое строение атома обусловило исключительную химическую стойкость палладия: даже всесокрушающий фтор при обычных условиях опасен для него не более, чем для слона комариный укус. Только призвав на помощь высокие температуры (500 °C и более), фтор и другие сильные окислители могут вступить во взаимодействие с палладием.
Палладий способен поглощать или, выражаясь языком физиков и химиков, окклюдировать в больших количествах некоторые газы, главным образом водород. При комнатной температуре кубический сантиметр палладия в состоянии поглотить примерно 800 «кубиков» водорода. Разумеется, такие эксперименты не проходят для металла бесследно: он разбухает, вспучивается, дает трещины.
Не менее удивительно и другое свойство палладия, также связанное с водородом. Если. допустим, изготовить из палладия сосуд и наполнить его водородом, а затем, закупорив. нагреть, то газ преспокойно начнет вытекать через… стенки сосуда, как вода через решето. При 240 °C за одну минуту через каждый квадратный сантиметр палладиевой пластинки толщиной в миллиметр проходит 40 кубических сантиметров водорода, а с повышением температуры проницаемость металла становится еще более значительной.
Как и другие платиновые металлы, палладий служит отличным катализатором. Это свойство в сочетании со способностью пропускать водород лежит в основе явления, открытого недавно группой московских химиков. Речь идет о так называемом сопряжении (взаимном ускорении) двух реакций на одном катализаторе, в роли которого выступает палладий. Реакции при этом как бы помогают друг другу, а вещества, принимающие в них участие, не перемешиваются.
Представьте себе аппарат, герметически разделенный тонкой палладиевой перегородкой (мембраной) на две камеры. В одной из них находится бутилен, в другой — бензол. Жадный до водорода палладий вырывает его из молекул бутилена, газ проходит через мембрану в другую камеру и там охотно соединяется с молекулами бензола. Бутилен, у которого отняли водород, превращается в бутадиен (сырье для производства синтетического каучука), а бензол, поглотив водород, становится циклогексаном (из него изготовляют капрон и нейлон). Присоединение водорода к бензолу протекает с выделением тепла; значит, чтобы реакция не прекратилась, тепло нужно все время отводить. Зато бутилен готов отдать свой водород лишь «в обмен» на некоторое количество джоулей. Поскольку обе реакции проходят «под одной крышей», все тепло, образующееся в первой камере, тут же используется в другой. Эффективное сочетание этих химических и физических процессов становится возможным благодаря тоненькой палладиевой пластинке.
