توسط : خواص فیزیکی و شیمیایی استثنایی پالادیوم، این فلز را به باارزش‌ترین عنصر طبیعت تبدیل کرده است. مثلا، چگالی کمتر نسبت به سایر فلزات گروه پلاتین، مقاومت حرارتی بالا، انعطاف‌پذیری فوق‌العاده و مقاومت در برابر اکسیداسیون از ویژگی‌های برجسته آن به شمار می‌روند. این فلز در دمای ۱۵۵۴٫۹ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود و امکان بازیافت بی‌نهایت را بدون از دست دادن خواص ذاتی خود دارد. صنعت خودروسازی با استفاده از ۸۰ درصد تولید جهانی این فلز، نقش محوری در بازار پالادیوم دارد، در حالی که فناوری‌های نوین انرژی پاک نیز به طور فزاینده‌ای به خواص منحصربه‌فرد این فلز وابسته شده‌اند.
آشنایی با فلز پالادیوم
این فلز گرانبها در جدول تناوبی عناصر با نماد Pd و عدد اتمی ۴۶ است. این فلز نقره‌ای-سفید رنگ در سال ۱۸۰۳ توسط ویلیام هاید ولاستون کشف شد و این دانشمند انگلیسی، پالادیوم را به افتخار سیارک تازه کشف شده یعنی سیاره پالاس نامگذاری کرد.
این فلز عضو گروه باارزش‌ترین فلز دنیا گروه فلزات پلاتین است و همراه با پلاتین، رودیم، روتنیم، ایریدیم و اسمیوم در این گروه قرار می‌گیرد. این فلز یکی از کمیاب‌ترین عناصر روی زمین است و ارزش اقتصادی بالایی دارد.
قابلیت استثنایی پالادیوم در جذب هیدروژن است، به‌طوری که می‌تواند تا ۹۰۰ برابر حجم خود هیدروژن را در دمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱ اتمسفر جذب کند. به علاوه، پالادیوم در دمای معمولی توسط هوا کدر نمی‌شود و برای استفاده در جواهرات بسیار مناسب است. همچنین پالادیوم خاصیت کاتالیزوری قوی دارد و می‌تواند واکنش‌های شیمیایی مانند هیدروژناسیون را تسریع کند.
پالادیوم معمولاً به عنوان محصول جانبی در استخراج فلزات دیگر، به‌ویژه نیکل و مس به دست می‌آید. همچنین بازیافت پالادیوم از قطعات الکترونیکی، کاتالیزورهای مستعمل و ضایعات دندانپزشکی نیز یکی از منابع مهم تأمین این فلز ارزشمند است.
ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی پالادیوم
جهان عناصر، پالادیوم را با درخشش نقره‌ای و خواص منحصربه‌فردش می‌شناسد.
| ویژگی | مقدار/توضیح |
|---|---|
| نام عنصر | پالادیوم |
| نماد شیمیایی | Pd |
| عدد اتمی | ۴۶ |
| گروه | ۱۰ |
| دوره | ۵ |
| بلوک | d |
| رنگ | خاکستری-سفید (نقره‌ای) |
| نقطه ذوب | ۱۵۵۵ درجه سانتی‌گراد |
| نقطه جوش | ۲۹۶۳ درجه سانتی‌گراد |
| چگالی | ۱۲٫۰۲۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب |
| وزن اتمی | ۱۰۶٫۴۲ |
| جذب هیدروژن | تا ۹۰۰ برابر حجم خود |
| حالت در دمای اتاق | جامد |
| خاصیت مغناطیسی | پارامغناطیس |
| قیمت (۲۰۲۳) | حدود ۱۳۸۹ دلار هر اونس |
| ایزوتوپ‌های پایدار | ۶ ایزوتوپ (پالادیوم-۱۰۲، ۱۰۴، ۱۰۵، ۱۰۶، ۱۰۸، ۱۱۰) |
عدد اتمی و جرم اتمی پالادیوم
در قلب هر اتم پالادیوم، ۴۶ پروتون می‌تپد که هویت اصلی این عنصر را شکل می‌دهد. این فلز گرانبها با جرم اتمی ۱۰۶٫۴۲، در گروه ۱۰، دوره ۵ و بلوک d جدول تناوبی جای گرفته است.
- شناسنامه هسته‌ای: عدد اتمی ۴۶ پالادیوم را از سایر عناصر متمایز می‌کند. این شناسه اصلی هر اتم پالادیوم، ثابت و تغییرناپذیر باقی می‌ماند.
- ترکیب ایزوتوپی: طبیعت، پالادیوم را در قالب شش ایزوتوپ پایدار عرضه می‌کند: ۱۰۲ (۱٫۰۲٪)، ۱۰۴ (۱۱٫۱۴٪)، ۱۰۵ (۲۲٫۳۳٪)، ۱۰۶ (۲۷٫۳۳٪)، ۱۰۸ (۲۶٫۴۶٪) و ۱۱۰ (۱۱٫۷۲٪). این تنوع ایزوتوپی، جرم اتمی میانگین ۱۰۶٫۴۲ را برای آن رقم می‌زند.
- معماری الکترونی: چیدمان [Kr]4d¹⁰ الکترون‌ها در این فلز ، ساختاری پایدار و ویژه را ایجاد می‌کند و لایه d با ۱۰ الکترون خود، رازی نهفته دارد که توانایی‌های کاتالیزوری فوق‌العاده آن را تضمین می‌کند.
چگالی پالادیوم
پالادیوم با چگالی ۱۲٫۰۲۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب، سبک‌ترین عضو خانواده پلاتین به شمار می‌رود. جدول چگالی درجه بندی چگالی آن نسبت به فلزات دیگر در زیر آورده‌ایم.
| فلز | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) |
|---|---|
| پلاتین | ۲۱٫۴۵ |
| اسمیوم | ۲۲٫۵۹ |
| ایریدیوم | ۲۲٫۵۶ |
| رودیوم | ۱۲٫۴۱ |
| پالادیوم | ۱۲٫۰۲۳ |
| روتنیوم | ۱۲٫۳۷ |
- تعادل وزن و حجم: در میان همتایان گرانبهایش، پالادیوم کمترین چگالی را به نمایش می‌گذارد. این سبکی نسبی، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای جواهرسازانی تبدیل کرده که دنبال ترکیب زیبایی و راحتی‌اند.
- مزیت طراحی: طراحان جواهرات بزرگ و پیچیده، آن را به خاطر وزن کمترش نسبت به پلاتین ترجیح می‌دهند. این ویژگی امکان خلق قطعاتی را فراهم می‌کند که علی‌رغم اندازه بزرگ، همچنان راحت و سبک روی پوست می‌نشینند.
- جایگاه میانی: این فلز کاتالیزوری در طیف چگالی فلزات گرانبها، جایگاهی میانی دارد؛ سبک‌تر از طلا با چگالی ۱۹٫۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب و سنگین‌تر از نقره با چگالی ۱۰٫۵ گرم بر سانتی‌متر مکعب.
مقاومت در برابر گرما، نقطه ذوب و نقطه جوش
آتش و گرما با نقطه ذوب ۱۵۵۴٫۹ درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش ۲۹۶۳ درجه سانتی‌گراد، کمتر می‌توانند پالادیوم را به زانو درآورند.
- ایستادگی در برابر آتش: دما بالا به سادگی نمی‌توانند ساختار پالادیوم را از هم بپاشند. به همین دلیل، پایداری حیرت‌انگیز در دماهای بالا، پالادیوم را به قهرمانی بی‌بدیل در کاتالیزورهای خودرو تبدیل کرده است.
- کمترین اما همچنان قدرتمند: نقطه ذوب پالادیوم در خانواده پلاتین کمترین است، اما همچنان از مرز ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد فراتر می‌رود و طلا (۱۰۶۴ درجه سانتی‌گراد) و نقره (۹۶۲ درجه سانتی‌گراد) را پشت سر می‌گذارد.
- تحمل دماهای نجومی: تا پیش از رسیدن به دمای ۲۹۶۳ درجه سانتی‌گراد، پالادیوم همچنان حالت مایع خود را حفظ می‌کند.
- شخصیت دوگانه دمایی: گرما، چهره پالادیوم را دگرگون می‌کند؛ وقتی گرمش می‌کنند، حالت نرم و کشسان به خود می‌گیرد و با سرد شدن، سفت می‌شود.
سختی و مقاومت در برابر خوردگی
پالادیوم مقاومت بالایی در برابر فرسودگی دارد و و زیبایی خود را برای مدت طولانی حفظ می‌کند.
- قابلیت تغییر شکل: انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای در آن دارد و صنعتگران می‌توانند آن را به ورقه‌های بسیار نازک یا سیم‌های باریک‌تر از موی انسان تبدیل کنند.
- مقاومت در برابر اکسیژن: با اکسیژن هوا واکنش نمی‌دهد و رنگ آن تغییر نمی‌کند. به همین دلیل، جواهرات پالادیومی درخشش اولیه خود را برای سال‌ها حفظ می‌کنند.
- مقاومت در برابر خراش: از طلا و نقره سخت‌تر است و خراش و سایش کمتری روی آن اثر می‌گذارد. جواهرات ساخته شده از آن عمر طولانی‌تری دارند و زیبایی خود را بهتر حفظ می‌کنند.
- درخشش پایدار: خلاف نقره که به مرور زمان کدر می‌شود، این فلز درخشش خود را بدون نیاز به پولیش مکرر حفظ می‌کند. به همین دلیل، طراحان جواهر آن را برای ساخت زیورآلات روزمره پیشنهاد می‌دهند.
واکنش‌پذیری و مقاومت در برابر اسید
در میان برادران پلاتینی‌اش، پالادیوم اجتماعی‌تر عمل می‌کند؛ اما همچنان در برابر اکثر حملات شیمیایی مقاومت است.
| حالت اکسیداسیون | رنگ معمول ترکیبات | مثال |
|---|---|---|
| +۲ | قرمز-قهوه‌ای | PdCl₂ |
| +۴ | قرمز تیره | PdCl₄ |
| +۶ | نادر | K₂PdF₆ |
- رفتار با اسیدها: اسید نیتریک این ماده را به آرامی حل کرده و نیترات تولید می‌کند. اسید سولفوریک غلیظ نیز با این ماده واکنش می‌دهد و سولفات پالادیوم (II) می‌سازد. با وجود این، این فلز در برابر بسیاری از مواد شیمیایی دیگر مقاومت زیادی دارد.
- واکنش در دمای بالا: این ماده در دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد با فلوئور و کلر واکنش می‌دهد. در گرمای زیاد، این فلز همچنین با عناصری مانند فسفر، آرسنیک، سیلیکون و گوگرد پیوند تشکیل می‌دهد.
- جذب هیدروژن: این فلز در شرایط مناسب (دمای ۸۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۱ اتمسفر)، تا ۹۰۰ برابر حجم خود هیدروژن جذب می‌کند. به این ترتیب، این فلز بزرگ‌تر، سخت‌تر، قوی‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌شود. دانشمندان از این خاصیت برای ذخیره هیدروژن و انجام واکنش‌های کاتالیزوری استفاده می‌کنند.
- حالت‌های مختلف اکسیداسیون: در حالت‌های اکسیداسیون مختلف +۲، +۳، +۴ و اخیراً +۶ وجود دارد. این تنوع به شیمی‌دانان اجازه می‌دهد که ترکیبات متنوعی با این فلز بسازند.
کاربرد پالادیوم چیست؟
پالادیوم در صنایع مختلف از خودروسازی تا پزشکی نقش‌آفرینی می‌کند. این فلز گرانبها بیشترین کاربرد را در ساخت مبدل‌های کاتالیزوری دارد، به طوری که صنعت خودروسازی به تنهایی حدود ۸۰ درصد از تولید جهانی پالادیوم را به خود اختصاص می‌دهد. کاربردهای اصلی پالادیوم عبارت‌اند از:
- صنعت خودروسازی: مبدل‌های کاتالیزوری خودرو قلب تپنده صنعت پالادیوم‌اند. این قطعات حیاتی با بهره‌گیری از خاصیت کاتالیزوری فوق‌العاده، حدود ۹۰ درصد از آلاینده‌های خطرناک خودروها را به مواد بی‌خطر تبدیل می‌کنند.
- جواهرسازی: با توجه به قیمت طلا، طراحان جواهر از این فلز برای ساخت طلای سفید استفاده می‌کنند و خلاف پلاتین، این ماده سبک‌تر است و راحت‌تر می‌توان آن را به اشکال پیچیده درآورد. همچنین جواهرات این فلز برق خود را بدون نیاز به آبکاری مجدد حفظ می‌کنند.
- فناوری الکترونیک: دنیای دیجیتال امروز بخشی از کارایی خود را مدیون این فلز است زیرا این فلز در خازن‌های سرامیکی و اتصالات الکتریکی به کار می‌رود. به علاوه، تلفن‌های همراه، کامپیوترها و بسیاری از وسایل الکترونیکی ما قطعاتی دارند که در آن‌ها از این ماده استفاده شده است.
- کاربردهای پزشکی: پالادیوم در ساخت ابزارهای جراحی دقیق، دستگاه‌های تشخیصی مانند نوارهای تست قند خون و ایمپلنت‌های دندانی کاربرد دارد. بیماران با حساسیت‌های فلزی معمولاً این فلز را به خوبی تحمل می‌کنند، زیرا این فلز واکنش‌های آلرژیک کمتری ایجاد می‌کند.
- انرژی پاک: پالادیوم در سلول‌های سوختی هیدروژنی، نقشی حیاتی ایفا کرده و با قابلیت شگفت‌انگیز جذب هیدروژن (تا ۹۰۰ برابر حجم خود)، به تولید انرژی پاک کمک می‌کند.
- صنایع شیمیایی: این فلز در فرآیندهای تصفیه نفت، تولید دارو و ساخت مواد شیمیایی پیچیده نقش کلیدی دارد و حضور این ماده در آزمایشگاه‌های شیمی باعث صرفه‌جویی در زمان، انرژی و منابع می‌شود.
معادن پالادیوم کجاست؟
پالادیوم در چند منطقه محدود دنیا وجود دارد و کشورهای معدودی اصلی‌ترین تولیدکنندگان این فلز کمیاب‌اند.
روسیه بزرگترین تولیدکننده این ماده در جهان است و بیش از ۵۰ درصد تقاضای جهانی را تأمین می‌کند، به‌ویژه در منطقه نوریلسکی نیکل در سیبری که معادن غنی این فلز در آنجا قرار دارند. پس از روسیه، آفریقای جنوبی دومین تولیدکننده بزرگ فلز کاتالیزوری است که معادن آن در مناطقی مانند پلاتین بلت و واتروفال متمرکز شده‌اند.
کانادا نیز منابع قابل‌توجهی از این فلز را دارد و معادن سودبری در ایالت انتاریو و منطقه ثابتی در ایالت استونیا از مراکز مهم استخراج این فلزند. همچنین این ماده ارزشمند در ایالات متحده آمریکا نیز در مناطقی مانند معدن استیلواتر در مونتانا، آلاسکا و نوادا استخراج می‌شود. زیمبابوه هم یکی دیگر از تولیدکنندگان قابل‌توجه آن در جهان است.
چطور پالادیوم را بازیافت می‌کنند؟
فلز کاتالیزوری به دلیل ارزش اقتصادی بالا و بدون از دست دادن ویژگی‌های ذاتی خود، امکان بازیافت بی‌نهایت را دارد.
- جمع‌آوری منابع حاوی پالادیوم: ابتدا قطعات حاوی این فلز مانند مبدل‌های کاتالیزوری، قطعات الکترونیکی یا جواهرات قدیمی را جمع‌آوری می‌کنند.
- جداسازی و آماده‌سازی: قطعات جمع‌آوری شده را خرد و آسیاب می‌کنند تا به پودر تبدیل شوند. در مورد کاتالیزورها، اسفنج‌های داخلی را با دستگاهی به نام بالبینگ پودر می‌کنند.
- فرآیند شیمیایی: پودر آماده شده را با اسیدهای مختلف مانند اسید نیتریک یا تیزاب سلطانی ترکیب می‌کنند و در دمای کنترل‌شده (معمولاً ۶۰ تا ۷۰ درجه سانتی‌گراد) حرارت می‌دهند.
- فیلتراسیون اولیه: پس از واکنش شیمیایی، تفاله‌های جامد را از محلول جدا می‌کنند. این مرحله برای خالص‌سازی محلول حاوی پالادیوم بسیار ضروری است و با استفاده از فیلترهای مختلف یا سانتریفیوژ انجام می‌شود.
- رسوب‌دهی انتخابی: به محلول فیلتر شده، مواد رسوب‌دهنده مانند دی‌متیل گلی‌اکسیم یا آمونیاک اضافه می‌کنند تا این فلز گرانبها به صورت رسوب جدا شود. هر رسوب‌دهنده به طور انتخابی با یک فلز خاص واکنش نشان می‌دهد، بنابراین می‌توان این فلز را از سایر فلزات جدا کرد.
- جمع‌آوری و شستشوی رسوب: رسوب پالادیوم را جمع‌آوری و با آب مقطر شستشو می‌دهند تا ناخالصی‌های باقی‌مانده حذف شوند.
- خشک کردن و تکلیس: رسوب را خشک می‌کنند و سپس تحت حرارت بالا قرار می‌دهند تا مواد آلی تجزیه شوند.طی این فرآیند، پودر آن خالص‌تر را تولید می‌کنند و معمولاً آن را در کوره‌های مخصوص با دمای کنترل‌شده می‌گذارند.
- ذوب و تولید شمش: در نهایت، پودر این فلز را در کوره‌های القایی مخصوص ذوب می‌کنند و به شکل شمش یا پودر خالص درمی‌آورند.
- کنترل کیفیت: خلوص آن بازیافتی معمولاً بین ۹۹٫۵ تا ۹۹٫۹۹ درصد است و از روش‌های دقیق آنالیز مانند اسپکتروسکوپی برای تعیین درجه خلوص استفاده می‌کنند.
پالادیوم با عدد اتمی ۴۶ و توانایی جذب هیدروژن تا ۹۰۰ برابر حجم خود، کاربردهای گسترده‌ای از مبدل‌های کاتالیزوری خودرو تا جواهرسازی و الکترونیک دارد. روسیه و آفریقای جنوبی تولیدکنندگان اصلی پالادیوم در جهان‌اند، در حالی که این فلز به دلیل ارزش اقتصادی بالایش همچون طلای آب شده ، به عنوان یک سرمایه‌گذاری مطمئن نیز شناخته می‌شود. همچنین، مقاومت در برابر خوردگی و خراش، درخشندگی پایدار و خواص کاتالیزوری قوی آن را به عنصری حیاتی در توسعه فناوری‌های پاک و پایدار تبدیل کرده است.
"
