Паладій - Жарт англійського вченого

С.І. Венецкій

Того дня Річард Ченевікс - процвітаючий англійський хімік - прокинувся раніше, ніж звичайно. За вікном висіли важкі, мокрі наскрізь хмари. Дощ, безсоромно тарахтевшій всю ніч безперервно, продовжував лити як з відра, немов бажаючи перевірити водонепроникність лондонських дахів. Здавалося, небеса вирішили виплеснути на землю всю накопичену ними вологу.

Може бути, нам не слід було приділяти стільки уваги атмосферних опадів, якими, як відомо, багатий на Туманний Альбіон, якщо б саме в цей сльотавої ранок 1803 не відбулося подія, врешті-решт призвело до того, що наукова репутація Ченевікса виявилася підмоченою.

Переглядаючи за чашкою кави свіжі газети, Ченевікс натрапив на дивне оголошення, які повідомляють, що в магазині містера Форстера -- колекціонера і торговця мінералами - можна за подібною ціною придбати новий метал - паладій, про який ще вчора не чув ні один хімік світу.

Що це: жарт, наукова містифікація або рекламний трюк? І хоча Ченевіксу було цілком ясно, що ні про який новий металі тут не могло бути й мови, цікавість взяла своє: незважаючи на негоду, він все ж таки вирушив за вказаною адресою.

До його велике здивування Форстер дійсно показав сліточек металу, за зовнішнім виглядом нагадував платину, але значно більше легені. Він розповів, що кілька днів тому отримав лист, написаний гарним почерком на дорогому папері. Анонімний кореспондент пропонував власникові магазину спробувати продати невелику кількість невідомого раніше металу, який було додано до листа. Більш Форстер нічого не міг сказати. Ченевікс вирішив купити сліточек, щоб потім, проаналізувавши його, публічно висміяти нахабного лжехіміка, який нібито відкрив новий метал. Не гріх було заодно і провчити торговця, що взяв участь у цій обурливою фальсифікації.

Про свій намір вчений сповістив колег, і ті з нетерпінням чекали результатів аналізу. Незабаром Ченевікс виступив з повідомленням, що так званий паладій зовсім "не новий елемент, як ганебно заявлялося ", а всього-на-всього сплав платини з ртуттю. Здавалося б, шахрайська витівка викрита, але як не намагалися після цього інші хіміки виявити в палладії платину і ртуть, їм це не вдавалося. У чому ж справа? Вражений Ченевікс поспішив пояснити і цей факт: на його думку, причина крилася в тому, що ртуть у сплаві дуже міцно пов'язана з платиною і розділити їх практично неможливо. Більше того, він навіть вказав рецепт приготування сплаву.

Пристрасті, що розгорілися навколо нового металу, з часом почали стихати, як раптом в одному з наукових журналів з'явилося оголошення, в якому пропонувалася чимала премія (20 фунтів стерлінгів!) тому, хто протягом року зможе приготувати паладій із платини та ртуті за рецептом Ченевікса або будь-яким іншим способом. Охочих зірвати куш виявилося чимало, але рік минув, а ні сам Ченевікс, ні будь-хто інший так і не здобули право на премію.

Через деякий час після закінчення призначеного строку, в 1804 році, на засіданні Лондонського королівського товариства (грав роль Академії наук) його секретар, відомий лікар і хімік Вільям Гайд Волластоном, доповів, що при аналізі платини він виявив в ній метал з тими ж властивостями, що у паладію, купленого за рік до цього Ченевіксом, і, крім того, ще один новий метал, названий родием. А на початку 1805 року в тому ж журналі, де було розміщено оголошення про премію, Волластоном опублікував відкритий лист, в якому зізнався, що не хто інший, як він створив ажіотаж навколо відкритого ним паладію: саме він запропонував Форстеру для продажу сліточек нового металу і він же пообіцяв розщедритися на 20 фунтів стерлінгів.

Важко сказати, чим керувався Волластоном, настільки незвичайним шляхом що сповістив світ про своє відкриття. Для Ченевікса ж все це означало повне фіаско. Вражений невдачею, він незабаром після описаних подій взагалі закинув заняття хімією.

Назвавши новий метал паладієм, Волластоном тим самим віддав данину поваги скоєного у 1802 році астрономічного відкриття німецького вченого Г. Ольберса, що виявив у сонячній системі невідому раніше малу планету (або астероїд), яку він охрестив Паладій на честь давньогрецької богині мудрості Афіни Паллади.

Через чверть століття у видаваному в Росії "Гарним журналі" з'явилося наступне повідомлення: "У 1822 році Г. Бреа мав доручення від іспанського уряду очистити і звернути в злитки всю платину, зібрану в Америці протягом багатьох років. При цім випадкові, обробляючи більше 61 пуди сирої платини, відділив він два з чвертю фунта паладію, металу, відкритого Волластоном і по надзвичайної рідкості своєї цінованого у п'ять з половиною разів вище золота ".

Сьогодні, коли з відносною точністю підраховано зміст усіх елементів у земній корі, відомо, що паладію в ній приблизно в десять разів більше, ніж золота. Однак загальні запаси паладію, як і інших металів платинової групи, досить мізерні - всього 5 * 10-6%, хоча геохімік можуть назвати близько 30 мінералів, до яких входить цей елемент. На відміну від інших платиноїдів, паладій, як і сама платина, зустрічається також у самородному стані. Як правило, при цьому він містить домішки платини, іридію, золота, срібла. Нерідко паладій і сам знаходиться в природі у вигляді домішки до самородної платини або золота. У Бразилії, наприклад, знайдена рідкісна різновид самородної золота (порпеціт), в якому міститься 8-11% паладію.

Оскільки розсипних родовищ паладію досить рідкісні, основною сировиною для його одержання служать сульфідні руди нікелю та міді. Палладієві, правда, належить при цьому скромну роль побічного продукту переробки руд, але він від цього не стає менш цінним. Великими покладами таких руд мають у своєму розпорядженні Трансвааль і Канада. А порівняно недавно радянські геологи знайшли в районі Норильська великі родовища мідно-нікелевих руд, для яких характерна присутність платинових металів, головним чином паладію.

Цей елемент є не тільки на нашій планеті -- "водиться" він і на інших небесних тілах, про що свідчить склад метеоритів. Так, в залізних метеоритах на тонну речовини доводиться до 7,7 грама паладію, а в кам'яних - до 3,5 грама. Те, що на Сонці є плями, відомо всім. А ось те, що на Сонці є паладій, знають, певне, далеко не все. Вчені виявили там паладій одночасно з гелієм, ще в 1868 році.

Незважаючи на те, що паладій приблизно в півтора рази важче заліза, серед своїх "колег"-платиноїдів він уславився легковажним: по щільності (12 г/см3) він значно поступається осмію (22,5), іридію (22,4), платині (21,45). Плавиться він також при більш низькій температурі (1552 ° С), ніж інші метали платинової групи. Паладій легко обробляється навіть при кімнатній температурі. А оскільки він досить гарний, відмінно полірується, не тьмяніє і не корродирует, ювеліри охоче взяли його в роботу: з нього виготовляють, наприклад, оправи для дорогоцінних каменів.

Ми вже звикли до таких газетних штампів, як "чорне золото" - так величають нафту, "м'яке золото" -- хутро, "зелене золото" - ліс. Коли говорять про "білому золоті", зазвичай мають на увазі бавовна. Але, виявляється, золото може бути білим в самому прямому сенсі: навіть невеликі добавки паладію знімають "з лиця" золота жовтизну і додають йому гарний білий відтінок. Годинники, оправи для дорогоцінного каміння, браслети з білого золота дуже ефектні.

Дуже приємним виявилося знайомство з паладієм і для титану. Відомо, що цього металу властива висока корозійна стійкість: навіть такі всеїдні "хижаки", як царська горілка чи азотна кислота, не можуть "поласувати" титаном, однак під дією концентрованих соляної та сірчаної кислот він все ж таки змушений корродіровать. Але якщо його трохи "вітамінізувати" паладієм (добавка менше 1%), то здатність титану чинити опір цим окислювача різко зростає. Такий сплав вже освоєний нашими заводами: з нього виготовляють апаратуру для хімічної, атомної, нафтової промисловості. За рік перебування в соляній кислоті платівка з нового сплаву втрачає всього 0,1 міліметра своєї товщини, в той час як чистий титан за той же термін "худне" на 19 міліметрів.

розчину хлориду кальцію сплав зовсім не по зубах, а титану без домішки паладію доводиться віддавати цьому агресору щорічну данину - Більше двох міліметрів.

Яким же чином паладію вдається настільки благотворно впливати на титан? Причиною цього виявилося виявлене нещодавно вченими явище так званої самопассіваціі (самозахисту) металів: якщо в сплави на основі титану, заліза, хрому або свинцю ввести буквально мікродози благородних металів - паладію, рутенію, платини, то стійкість сплавів проти корозії підвищується в сотні, тисячі і навіть десятки тисяч разів.

У лабораторії корозії сплавів Інституту фізичної хімії Академії наук СРСР вчені зазнали дії паладію на хромистої сталь. Деталі з цього матеріалу роз'їдаються багатьма кислотами за кілька днів. Справа в тому, що позитивні іони металу при цьому переходять в розчин кислоти, а з розчину в кристалічну решітку металу проникають іони водню, які охоче з'єднуються з вільними електронами. Утворений водень виділяється і руйнує сталь. Коли ж у кислоту завантажили деталь з тієї ж сталі, але з "гомеопатичної" добавкою паладію (частки відсотка), корозія металу тривала всього ... кілька секунд, а потім кислота виявилася безсилою.

Дослідження показало, що кислота взаємодіє в першу чергу з паладієм і тут же поверхня сталі покривається найтоншої окісної плівкою - деталь як би одягає на себе захисну сорочку. Така "броня" робить сталь практично невразливою: швидкість її корозії в киплячій сірчаної кислоти не перевищує десятих часток міліметра на рік (раніше вона сягала кількох сантиметрів).

Сам паладій теж легко потрапляє під вплив деяких інших елементів: варто ввести в нього, наприклад, невелика кількість споріднених металів - рутенію (4%) і родію (1%), як його міцність на розтягування підвищується приблизно вдвічі.

Сплави паладію з іншими металами (головним чином сріблом) використовують в зуболікарській техніці - з нього роблять відмінні протези. Палладієм покривають особливо відповідальні контакти електронної техніки, телефонних апаратів та інших електротехнічних приладів. З паладію виготовляють фільєри - ковпачки з безліччю дрібних отворів: у виробництві тонкої дроту або штучних волокон через ці отвори продавлюють спеціально підготовлену масу. Паладій служить матеріалом для термопар і деяких медичних інструментів.

Але, мабуть, найбільший інтерес представляють унікальні хімічні властивості паладію. На відміну від усіх елементів, відомих сьогодні науці, він має на зовнішній орбіті атома 18 електронів: Іншими словами, його зовнішня електронна оболонка заповнена до межі. Така будова атома зумовило виняткову хімічну стійкість паладію: навіть нищівного фтор при звичайних умовах небезпечний для нього не більше, ніж для слона комариний укус. Тільки закликавши на допомогу високі температури (500 ° С і більше), фтор і інші сильні окислювачі можуть вступити у взаємодію з паладієм.

Паладій здатний поглинати або, висловлюючись мовою фізиків і хіміків, оклюдованого у великих кількостях деякі гази, головним чином водень. При кімнатній температурі кубічний сантиметр паладію в стані поглинути приблизно 800 "кубиків" водню. Зрозуміло, такі експерименти не проходять для металу безслідно: він розбухає, спучується, дає тріщини.

Не менш дивно й інше властивість паладію, також пов'язане з воднем. Якщо, припустимо, виготовити з паладію судину і наповнити його воднем, а потім, закупорити. нагрівати, то газ спокійнісінько почне витікати через ... стінки судини, як вода через решето. При 240 ° С за одну хвилину через кожен квадратний сантиметр паладієвих пластинки завтовшки в міліметр проходить 40 кубічних сантиметрів водню, а з підвищенням температури проникність металу стає ще більш значною.

Як і інші платинові метали, паладій служить відмінним каталізатором. Ця властивість у поєднанні зі здатністю пропускати водень лежить в основі явища, відкритого нещодавно групою московських хіміків. Мова йде про так званий сполученні (взаємне прискоренні) двох реакцій на одному каталізаторі, в ролі якого виступає паладій. Реакції при цьому як би допомагають один одному, а речовини, які беруть в них участь, не перемішуються.

Уявіть собі апарат, герметично розділений тонкої паладієвих перегородкою (мембраною) на дві камери. В одній з них знаходиться бутилен, в іншій - бензол. Жодний до водню паладій вириває його з молекул бутилену, газ проходить через мембрану до іншої камери і там охоче з'єднується з молекулами бензолу. Бутилен, у якого відняли водень, перетворюється на бутадієн (сировина для виробництва синтетичного каучуку), а бензол, поглинувши водень, стає циклогексаном (з нього виготовляють капрон і нейлон).

Приєднання водню до бензолу протікає з виділенням тепла; значить, щоб реакція не припинилася, тепло потрібно весь час відводити. Зате бутилен готовий віддати свій водень лише "в обмін" на деяку кількість джоулів. Оскільки обидві реакції проходять "під одним дахом ", все тепло, що утворюється в першій камері, тут же використовується в інший. Ефективне поєднання цих хімічних і фізичних процесів стає можливим завдяки тоненькою паладієвих платівці.

За допомогою мембранних паладієвих каталізаторів можна також отримувати з нафтової сировини і попутних газів надчистих водень, необхідний, наприклад, для виробництва напівпровідників і особливо чистих металів.

У наші дні паладій порівняно дешевий - його ціна в п'ять разів менше, ніж платини. Важливе обставина! Воно дозволяє сподіватися, що роботи для цього металу буде з кожним роком все більше і більше. А допоможуть йому знайти нові сфери діяльності електронні обчислювальні машини. Рішення подібних завдань по плечу ЕОМ, звичайно, за умови, що вчені забезпечать їх необхідною "інформацією до роздумів".

Сьогодні вже нікого не здивуєш тим, що ЕОМ грають у шахи, управляють технологічними процесами, перекладають з іноземних мов, розраховують траєкторії польоту космічних кораблів. А чому б не поставити в обов'язки ЕОМ створення нових сплавів, що володіють унікальними властивостями?

Таку проблему поставили перед собою кілька років тому вчені Інституту металургії імені А. А. Байкова Академії наук СРСР. Перш за все їм треба було знайти спільну мову з машиною, на якому можна було б віддавати їй команди. І така мова - потрібні алгоритми - вченим вдалося розробити. До блоку пам'яті ЕОМ "Мінськ-22" були введені результати досліджень приблизно 1500 різних сплавів і, крім того, "анкетні дані "металів - електронна будова їх атомів, температури плавлення, типи кристалічних граток та багато інших відомості, характерні для кожного з металів. Знаючи все це, машина повинна була передбачити, які невідомі раніше сполуки можуть бути отримані, вказати їх основні властивості, а отже, і підібрати відповідні для них області застосування. Уявіть собі, що ці завдання вирішувалися б, як і раніше, "ручним" способом - шляхом звичайних експериментів. Це означало б, що до кожного металу потрібно додати різні кількості іншого металу, вибраного з тих чи інших міркувань, з отриманих сплавів приготувати зразки, потім піддати їх фізичним і хімічним дослідженням, і т. д. Ну, а якщо поставити собі за мету вивчити всі можливі комбінації не двох, а трьох, чотирьох, п'яти компонентів? Така робота зайняла б десятки, а то і сотні років. До того ж для проведення дослідів знадобилося б величезна кількість металів, багато з яких дороги та дефіцитні. Цілком можливо, що земних запасів таких рідкісних елементів, як, наприклад, реній, індій, паладій, на подібні експерименти просто б не вистачило.

Електронної обчислювальної машині їжею для розуму служать цифри, символи, формули, та і "продуктивність праці" у неї вище: за лічені хвилини вона в змозі видати величезну наукову інформацію.

У результаті кропіткої роботи, проведеної під керівництвом члена-кореспондента Академії наук СРСР Є. М. Савицького, уда?? вісь спочатку передбачити за допомогою ЕОМ, а потім і отримати в натурі багато цікаві матеріали. Одними з перших з'єднань, народжених ЕОМ, були сплави паладію, в тому числі надзвичайно красивий бузковий сплав паладію з індіем. Але головне, зрозуміло, не в кольорі. Набагато важливіше ділові якості нових "працівників". І вони, треба сказати, на висоті. Так, створений інститутом сплав паладію з вольфрамом дозволив більш ніж в 20 разів підвищити надійність і термін експлуатації багатьох електронних приладів.

"Прогноз за допомогою ЕОМ, - каже Є. М. Савицький, - Звичайно, не робиться для сплавів, які можна отримати простим змішуванням компонентів, але там, де потрібні складні з'єднання і потрібно одержати сплави, витримують величезні тиску і надвисокі температури, що протистоять магнітних і електричних полів, там допомога ЕОМ необхідна ".

Машина підказала вже вченим близько восьмисот нових надпровідних з'єднань і майже тисяча сплавів із спеціальними магнітними властивостями. Крім того ЕОМ порекомендувала металознавця звернути увагу приблизно на п'ять тисяч сполук рідкоземельних металів з яких поки відома лише п'ята частина. Цінні вказівки отримані від машини і відносно трансуранових елементів.

На думку Є. М. Савицького, "можливості синтезу неорганічних сполук безмежні. На їх основі вже в найближчі роки число отриманих сполук може бути збільшено у десятки разів. І безсумнівно серед них будуть знаходитися речовини з абсолютно новими і рідкісними фізичними та хімічними властивостями, необхідними для народного господарства і нової техніки ".

На закінчення розповімо про двох медалях, виготовлених з паладію. Перша з них, що носить ім'я Волластоном, була заснована Лондонським геологічним товариством півтора століття тому. Спочатку медаль чеканили із золота, але після того, як в 1846 році англійський металург Джонсон витягнув з бразильського палладістого золота чистий паладій, її виготовляють тільки з цього металу. У 1943 році медаль імені Волластоном була присуджена чудовому радянському вченому академіку А. Е. Ферсману і зберігається зараз, в Державному історичному музеї СРСР. Другу паладієву медаль, присуджується за видатні роботи в галузі електрохімії та теорії корозійних процесів, заснувало Американське електрохімічне суспільство. У 1957 році цією нагородою були відзначені праці найбільшого радянського електрохіміків академіка А. І. Фрумкина.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/