有机材料领域发挥作用的钯元素
来源： 科技日报 发布时间：2022-04-22
□ 宋 丹
钯，元素周期表46号元素。
钯是铂系金属之一，是贵金属中的一员，在航天、航空、航海、兵器和核能等高科技领域，以及汽车制造业中都不可或缺。1803年，英国化学家武拉斯顿从铂矿中发现了这种新元素，将天然的铂矿溶解在王水中，除去酸后滴加氰化汞溶液，获得黄色沉淀，随后用硫酸、硼砂与这个黄色沉淀一起加热，得到光亮的金属颗粒，这就是最早的金属钯。
市场上有黄金、白银、白金等材质的饰品，白金中就包括铂金和钯金，在铂系金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）中只有铂和钯适合制作饰品。钯金与铂金一样，都是银白色，原料价格和黄金价格差不多，但是制作成饰品就会比黄金略高，原因在于钯金与铂金一样都属于稀有的贵金属，矿产资源少，开采困难，用于制作珠宝首饰的就更少。而且钯金熔点高，坚韧度高，打造起来并不容易，制作成本比黄金高，售价就不可能低了。其实外观上铂金和钯金并没有太大差别，都是银白色有金属光泽，只是硬度和密度会有所不同， 只能通过标签上的符号来进行区别。
块状的金属钯还可以吸收大量氢气。常温下，一个体积的海绵状钯可以吸收900个体积氢气，胶体状钯吸收得更多。当加热到40—50℃时，这些吸收的氢气能大部分释出，因此，钯可以广泛用作气体反应，特别是氢化或脱氢的反应。
1872年，人们发现钯碳对苯环上的硝基加氢的还原反应有催化作用。钯碳是将活性组分钯通过某种方式负载于载体活性炭上，得到的一种负载型催化剂。这种催化剂使苯环上硝基加氢的反应流程更简单、转化率和产率都更高，而三废更少，从而引起人们极大关注。
通过后续深入的研究，人们发现在过渡金属中，具有空配位位置的金属原子有可能是非常好的催化剂。随后有事实证明，镍、钯和铂都具有成为催化剂的核外电子排布特征。然而在烯烃反应中，镍和铂的催化效果都不及钯。因为只有钯同时拥有全满d轨道和全空s轨道的核外电子排布结构，这使钯能够“刚好适合”与碳—碳双键结合，成功催化烯烃反应。
这种特殊核外电子排布，使钯成为瓦克法中关键的催化剂，该工艺被认为是最早获得工业应用的有机金属化合物反应。瓦克法最早是指将乙烯通入含有四氯化钯酸盐催化剂的水中，乙烯能快速被氧气氧化为乙醛的反应。这种工艺在19世纪60年代石油化工发达的国家发展很快，甚至大幅取代了乙炔水合制备乙醛的方法。
2010年，诺贝尔化学奖颁发给了美国化学家理查德·赫克，以及两位日本科学家根岸英一和铃木章，以表彰他们在开发利用钯催化剂制备有机化合物方面的贡献。他们研究出两种需要用钯催化的反应：heck反应和suzuki反应。这些反应都需要用钯来催化解决一个非常重要的问题，就是使碳能更好地集合在一起制造出复杂的有机材料。目前钯催化交叉偶联反应技术已在全球的科研、医药生产和电子工业等领域得到广泛应用。
（作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员）
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