عنصر پالادیوم

توسط · منتشر شده 2021-04-07 · بروزرسانی شده 2023-09-07

پالادیوم یک فلز براق و سفید نقره‌ای نادر است که شبیه پلاتین می باشد و کمترین چگالی و کمترین نقطه ذوب فلزات را دارا می باشد.

نرم و قابل انعطاف است و در هنگام سرد شدن از مقاومت و سختی بسیار بالایی برخوردار است.
پالادیوم به آهستگی در اسید نیتریک غلیظ، در اسید سولفوریک داغ و غلیظ و وقتی خوب ریز شود، در اسید کلریدریک حل می شود.
پالادیوم سنگین ترین عنصر است که فقط یک پوسته الکترون ناقص دارد و تمام پوسته های بالای آن خالی است.
بیش از نیمی از ذخیره پالادیوم ( همراه با ردیوم ) و پلاتین در سیستم های کاتالیزوری مورد استفاده قرار می گیرد که تا 90٪ گازهای مضر موجود در اگزوز خودرو (هیدروکربن ها، مونوکسید کربن و دی اکسید نیتروژن) را به مواد مضر کمتر (نیتروژن، دی اکسید کربن و بخار آب) تبدیل می کند.

پالادیوم در شیمی

یک عنصر شیمیایی با نماد pd وشماره اتمی 46 است در سال 1803 توسط شیمی دان انگلیسی ویلیام هاید ولاستون کشف شد. پالادیوم همراه با رودیم، روتنیم، اوزیم، ایریدیم و پلاتین، گروهی از عناصر را تشکیل می دهند که به آنها فلزات گروه پلاتین (PGM) گفته می شود آنها دارای خواص شیمیایی مشابه هستند.
پالادیوم در جدول تناوبی به گروه 10 تعلق دارد، اما پیکربندی در خارجی ترین الکترونها، مطابق با قانون هوند است. الکترونهای موجود در اوربیتال برای پر کردن اوربیتالهای d مهاجرت می کنند زیرا انرژی کمتری دارند.

واکنش شیمیایی پالادیوم

پالادیوم با اکسیژن در دمای استاندارد واکنش نشان نمی دهد بنابراین در هوا لکه دار نمی شود. پالادیوم که تا دمای 800 درجه سانتیگراد گرم می شود یک لایه اکسید پالادیوم (PdO) تولید می کند که با گذشت زمان ممکن است به آرامی رنگ آمیزی مایل به قهوه ای ایجاد کند (احتمالاً به دلیل تشکیل یک لایه سطحی از مونوکسید است).
پالادیوم یکی از اجزای اصلی سلول های سوختی است که هیدروژن را با اکسیژن واکنش داده و برق، گرما و آب تولید می کند.

رودیوم

یک عنصر شیمیایی با نماد Rh و شماره اتمی 45 است. این یک فلزسفید نقره‌ای بسیار نادر، سخت و مقاوم در برابر خوردگی و البته از نظر شیمیایی بی اثر است. این یک فلز نجیب است و عضوی از گروه پلاتین است. این فلز فقط یک ایزوتوپ طبیعی دارد که 103Rh است.
کاتالیست مورد استفاده در سیستم های خودرو بیشتر فلز گرانبهایی مانند پلاتین، پالادیوم و رودیم است. پلاتین به عنوان کاتالیزور احیا و به عنوان کاتالیزور اکسیداسیون استفاده می شود. گرچه پلاتین یک کاتالیزور بسیار فعال است و بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، اما بسیار گران است و برای همه کاربردها مناسب نیست.
رودیم به عنوان کاتالیزور احیا می باشد در حالی که از پالادیوم به عنوان کاتالیزور اکسیداسیون استفاده می گردد. در بعضی موارد از آهن، منگنز و نیکل نیز استفاده می شود. با این حال، برخی از شرکت ها استفاده از برخی از این موارد را منع می کنند.

تاریخچه عنصر پالادیوم

پالادیوم بیشتر برای سیستم های کاتالیزوری در صنعت خودرو استفاده می شود. در طی سال 2000، عرضه پالادیوم روسیه به بازار جهانی بارها به تأخیر افتاد و مختل شد. به دلایل سیاسی، سهمیه صادرات به موقع اعطا نشد. وحشت بازار متعاقب قیمت دلار هر اونس تروا را در ژانویه 2001 به بالاترین سطح رساند. در همان زمان، شرکت فورد، از ترس اینکه تولید خودرو در اثر کمبود پالادیوم مختل شود، فلز را ذخیره کرد. وقتی قیمت ها در اوایل سال 2001 کاهش یافت، و شرکت فورد تقریباً 1 میلیارد دلار ضرر کرد. در نتیجه جلوگیری اکثر خودروسازانی که از پلاتین استفاده می کردند، به علت افزایش تقاضا و انرژی رو به رشد پالادیوم و ترجیح دادن آن ، نسبت داده می شد. مقررات مربوط به آلاینده ها به تقاضا کمک می کند. وسایل نقلیه ای که از سوخت های فسیلی استفاده می کنند در مقایسه با وسایل نقلیه برقی هنوز با اختلاف زیادی بر بازار تسلط دارند و هنوز مشخص نیست که EV چگونه بر تقاضای خودروهای بنزینی تأثیر می گذارد. در حال حاضر، تقاضا زیاد است و بنابراین پالادیوم بر روز حاکم است.

ساختار پالادیوم

پالادیوم یک ساختار بلوری مکعبی صورت محور است، در دمای معمولی به شدت در برابر خوردگی در هوا و عملکرد اسیدها مقاوم است. توسط اسیدهای گرم مورد حمله قرار می گیرد. این ترکیبات و چندین نمک پیچیده را تشکیل می دهد. پالادیوم توانایی زیادی در جذب هیدروژن دارد (تا 900 برابر حجم خود).

اثر پالادیوم در کاتالیزورها

وقتی پالادیوم به قسمت های ریز تقسیم می شود، مانند پالادیوم روی کربن، کاتالیزور همه کاره ای تشکیل می دهد. این فرآیندهای کاتالیزوری ناهمگن مانند هیدروژناسیون، دهیدروژناسیون، ترک خوردگی نفت را سرعت می بخشد. پالادیوم همچنین برای کاتالیزور لیندلار بسیار ضروری است که به آن پالادیوم لیندلار نیز گفته می شود. تعداد زیادی واکنش پیوند کربن-کربن در شیمی آلی توسط کاتالیزورهای ترکیب پالادیوم تسهیل می شود.
توانایی تنظیم دقیق شرایط واکنش (دما، حلالها، لیگاندها، بازها و سایر مواد افزودنی) کاتالیزورهای پالادیوم را به ابزاری کاملاً متنوع در سنتز شیمیایی آلی تبدیل می کند. بعلاوه، کاتالیزورهای پالادیوم تحمل بسیار بالایی نسبت به گروههای مختلف دارند و اغلب قادر به ایجاد استریو و خاصیت عالی هستند که به شما کمک می کند تا نیازی به معرفی گروههای محافظ نباشد. این گروه بسیار متنوع از کاتالیزورها برای واکنش های تشکیل پیوند کربن در درجه اول CC ، CO ، CN و CF شناخته شده اند، مانند: اتصال هک، اتصال سوزوکی، اتصال استیل، اتصال Hiyama، اتصال Sonogashira، اتصال Negishi

اثر پالادیوم در کاتالیزهای نا همگن

در کاتالیز ناهمگن، کاتالیزور های پالادیوم مانند کاتالیزور لیندلار (Palladium lindlar’s ) نیز کاربردهای موفقیت آمیز زیادی را مشاهده کرده اند. به عنوان مثال، کاتالیزور لیندلار در تسهیل هیدروژناسیون انتخابی، که شامل تبدیل پیوندهای سه گانه به پیوندهای سیس مضاعف، تک هیدروژناسیون پلی الفین ها و هیدروژناسیون آزیدها به آمین ها است، بسیار کارآمد است.
اتم های کربن روی یک اتم پالادیوم قرار می گیرند و سپس آنقدر به هم نزدیک می شوند که واکنش های شیمیایی امکان پذیر می باشد.
سطوح پالادیوم کاتالیزورهای بسیار خوبی برای واکنشهای شیمیایی شامل هیدروژن و اکسیژن است، مانند هیدروژناسیون ترکیبات آلی اشباع نشده.

نقش پالادیوم در کاتالیست

پالادیوم درسیستم های کاتالیزوری برای حذف هیدروکربن ها، مونوکسید کربن و سایر گازهای مضر از انتشار اگزوز استفاده می شود. سیستم کاتالیزوری یکی از گرانترین قطعات خودرو است که تا 1000 دلار هزینه دارد. مدتهاست که پلاتین باارزش ترین فلزی است که در سیستم های کاتالیزوری استفاده می شود. پالادیوم به طور فزاینده ای در سیستم های کاتالیزوری خودرو استفاده می شود که برای کاهش انتشار مضر برای موتورهایی که هنوز از نفت استفاده می کنند، طراحی شده است. تقاضای مداوم آن در صنعت خودرو، علیرغم تلاش برای تغییر خودروها، عامل اصلی افزایش مداوم ارزش آن بوده است.
پالادیوم به همراه کبالت و لیتیوم که برای ساخت باتری های EV مورد استفاده قرار می گیرند همچنان یک محصول حیاتی در صنعت خودرو هستند. به ویژه پالادیوم در این صنعت بسیار مورد تقاضا است زیرا از آن برای خنثی سازی آلاینده های سمی با تبدیل آنها به بخار آب و دی اکسید کربن استفاده می شود. مبدلهای کاتالیزوری متشکل از واحدهای اسکلت لانه زنبوری هستند که دارای PGM در سطح بزرگ آن هستند (زیرا اسکلت لانه زنبوری هر واحد باعث افزایش سطح تماس بین واحد و انتشار گازهای خروجی خودرو می شود) در طول فرآیند تولید، نمکهای PGM با استفاده از محلولهای آنها در سطح اسکلت لانه زنبوری آغشته می شوند و سپس به شکل فلزی کاهش می یابند بسته به سازنده، غلظت PGM در واحد بسیار متفاوت است.

مبدلهای کاتالیزوری خودرو

غلظت Pt از 300 تا 1000 میکروگرم
برای Pd، غلظت از 200 تا 800 میکروگرم
برای رودیم، از 50 تا 120 میکروگرم
بنابراین، در همه موارد، درصد محتوای کل PGM ها در نمونه ها باید همیشه کمتر از 001٪ باشد. به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، کاربرد عمده پالادیوم در آلیاژهای مورد استفاده در تماس های الکتریکی ولتاژ پایین است. وقتی به قسمت های ریز تقسیم می شود، پالادیوم یک کاتالیزور خوب تشکیل می دهد و برای سرعت بخشیدن به واکنش های هیدروژناسیون و دهیدروژناسیون استفاده می شود.
در سال 1990، بیشتر مبدلهای کاتالیزوری برای کاهش انتشار از اگزوزهای اتومبیل به پلاتین متکی بودند، گرچه این فلز هنوز مهم است، اکنون پالادیوم ماده اصلی است زیرا این ماده حتی در حذف هیدروکربنهای نسوخته و نسوزانده از سوخت نیز کارآمدتر است.
اکنون بیش از 40 سال است که اتوکاتالیست ها برای کاهش ترشح مواد سمی مانند CO، هیدروکربن های نسوخته و NOx تولید شده توسط موتورهای اتومبیل استفاده می شوند. اگرچه آنها در تمیز کردن انتشارات وسایل نقلیه کمک کرده اند، اما چندین مطالعه نشان داده است که این کاتالیزورها به غلظت قابل توجهی از Pt،Pd و Rh (اصلی ترین اجزای فعال اتوکاتالیزها) در محیط شهری کمک می کنند. این امر نگرانی های زیست محیطی و بهداشت انسانی را افزایش داده است، زیرا تجمع Pt ، Pd و Rh در موجودات زنده در آزمایشگاه و مطالعات میدانی نشان داده شده است.
کاربرد اصلی پلاتین در خودروهای دیزلی است، در حالی که پالادیوم تمایل به استفاده در موتورهای بنزینی دارد. اما رودیم موثرترین کاتالیزور برای انتشار اکسید نیتروژن (NOx) در موتورهای بنزینی است، به اندازه هفت برابر موثرتر از پالادیوم. هیچ جایگزینی برای رودیم وجود ندارد. پلاتین می تواند جایگزین پالادیوم در موتورهای بنزینی شود، اما این جایگزینی فقط زمانی شروع می شود که قیمت پالادیوم دو برابر پلاتین باشد.
در آینده، به احتمال زیاد شاهد تبدیل سیستم های کاتالیزوری سه طرف خواهیم بود که حاوی رودیم، پلاتین و پالادیوم هستند. بنابراین همه چیز برای پالادیوم و رودیم خوب به نظر می رسد. تقاضا ادامه خواهد یافت و هر دو در کسری عرضه قرار دارند. کسری پالادیوم سالانه 8٪ است، در حالی که تقاضای رودیم بیش از عرضه سالانه استخراج شده 760،000 اونس در 100،000 اونس است. بازیافت چیزی است که باعث صرفه جویی در هر دو شده است، اما ذخایر موجود در حال کاهش هستند.
با ظهور مبدل های کاتالیزوری در سیستم های اگزوز اتومبیل، فلزات فعال از نظر تجزیه مانند رودیم (Rh)، پالادیوم (Pd) و پلاتین (Pt) عمدتا در صنعت خودرو استفاده می شدند. در سال 2012، حدود 80٪ از Rh کل، 74٪ از کل PD و 40٪ از کل Pt توسط صنعت کاتالیزور اتومبیل مصرف شده است .پالادیوم همچنین با تعدادی سنگ معدن طلا، نقره، مس و نیکل در ارتباط است. به طور کلی به عنوان محصول جانبی در تصفیه سنگ معادن مس و نیکل به صورت تجاری تولید می شود.