鈀氏家族成功的秘密

衛(wèi)一雯，匡勤，朱亞先

廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門361005

說到鈀氏集團(tuán)，相信讀者們一定會(huì)聯(lián)想到2008年上映的漫威電影《鋼鐵俠》。

電影主人公托尼·史塔克利用鈀的特殊性質(zhì)制造了一代方舟反應(yīng)堆，反應(yīng)釋放的巨大能量不但拯救了他的生命，更使他得以成為鋼鐵俠，展開他的傳奇一生。雖然電影中提到的冷核聚變技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中暫時(shí)還無法實(shí)現(xiàn)[1]，但是鈀氏集團(tuán)產(chǎn)業(yè)涉及范圍之廣，影響之大都讓人難以忽略它的存在。

鈀氏家族緣何如此興旺？

他們經(jīng)久不衰的秘訣究竟是什么？

今天，元素記者來到鈀氏家族百年老宅，我們將在鈀老先生的帶領(lǐng)下，揭開這個(gè)百年望族的神秘面紗，探得他們的成功密碼……

1 幸遇伯樂，嶄露頭角

一下車，便看見一位老人站立在鈀氏老宅門前，想必這就是大名鼎鼎的鈀老爺子了。記者忙走上前去，向他問好。

鈀老爺子卻是絲毫沒有架子，熱情地向記者介紹起來：“我們鈀家族在元素家族中排第46位，居住的老宅位于元素王國(guó)的第四周期、第VIII族，屬于d區(qū)元素[2]。我們鈀家族的英文名稱為Palladium，這個(gè)來源于希臘智慧女神帕拉斯·雅典娜。傳說中鈀是雅典娜派到人間的使者，所以我們鈀氏子弟都天資聰穎、人才濟(jì)濟(jì)?！?/p>

記者注意到，鈀氏老宅不像傳統(tǒng)的金屬望族一樣獨(dú)門獨(dú)院，而是與鉑、銠、釕、銥、鋨這五大家族連在一起，各個(gè)宅子之間看不清明顯的界限，只能從裝潢風(fēng)格中看出些許差別。

鈀老爺子于是解釋道：“我們六大家族性質(zhì)相似，在大自然中往往共生在一起。為了更好地相互幫助，我們便締結(jié)了一個(gè)聯(lián)盟，叫作‘鉑系元素’[2]?！?/p>

剛跟老爺子走進(jìn)老宅大門，記者便被一座宏偉的人形雕像吸引住了眼球，不禁問道：“這是哪位鈀氏先祖呀？”

鈀老先生呵呵一笑：“這是人類化學(xué)家，我們家族的伯樂——威廉姆·海德·沃拉斯頓。鈀最早的時(shí)候只是鉑氏家族的外門子弟，一直不受重視。直到1803年，沃拉斯頓先生在鉑氏家族丟棄的廢液中加入了Hg(CN)2，形成了Pd(CN)2，他將這個(gè)化合物加熱提純過后得到了金屬鈀[3]。從那時(shí)起，我們才真正登上了歷史舞臺(tái)。雕像立在這里，除了讓后世子孫時(shí)刻緬懷這位恩人外，也是告誡他們?cè)倮щy的時(shí)候都要堅(jiān)持本心，是金子總會(huì)發(fā)光的！”

來到正廳，只見正上方懸掛著一個(gè)大匾額，上面龍飛鳳舞地用鈀金題著八個(gè)大字“海納百川，內(nèi)介外和”。

鈀老爺子說，這八個(gè)字便是鈀氏家族奉為圭臬的家訓(xùn)。記者瞧著大字疑惑地問道：“老爺子，這鈀金是銀白色金屬，為什么陽光一照，竟有些淡黃色的光呢？”

“相傳鈀金是齊天大圣金箍棒里的一片碎片，當(dāng)年孫悟空為了從金角和銀角大王的手里救師傅，降伏了他們的手下巴山虎，他的魂魄也就附在這碎片上，所以便有了這淡黃色的光?！?/p>

看著記者不敢相信的表情，老爺子補(bǔ)充道，“哈哈！當(dāng)然，這只是傳說，其實(shí)真正的原因是鈀金表面氧化生成了淡黃色的氧化膜?！?/p>

記者隨即又問道：“那這‘海納百川，內(nèi)介外和’又是怎么個(gè)說法呢？”

老爺子扶了扶眼鏡，說道：“年輕人，莫急哦，這需要慢慢體會(huì)。首先，我們鈀呀，不但熔點(diǎn)和密度是鉑族金屬里最低的，比其他金屬更容易氧化，而且質(zhì)地柔軟，有良好的延展性和可塑性，能鍛造、壓延和拉絲[2]。但是我們最引以為豪的，還是我們溫潤(rùn)外表下的根骨。”

2 塞翁失馬，焉知非福

鈀老先生不緊不慢地在正廳坐下。

“還記得當(dāng)年，元素界舉辦了一個(gè)金屬大賽。當(dāng)時(shí)幾乎所有的金屬都參加了比賽，大家各展風(fēng)采，真可謂一場(chǎng)盛世呀！”。

老爺子陷入回憶，向記者講述道：“第一輪是淘汰賽，我們面臨的考驗(yàn)是不起眼的[H2O+O2]。這兩個(gè)物質(zhì)在自然界隨處可見，但是可不能小瞧他們！很多我們熟知的金屬如鐵在潮濕空氣中都會(huì)被氧化腐蝕，變得松軟易碎。而我們鈀因?yàn)樯A熱高而且容易鈍化[2]，得以在潮濕空氣中穩(wěn)定存在?？恐@個(gè)，鈀成功晉級(jí)?！?/p>

“這第二輪的考驗(yàn)想必更加嚴(yán)苛吧？”記者問道。

“是的，第二輪是‘高溫’這個(gè)殺手锏。很多金屬兄弟雖然耐得住潮濕空氣的侵蝕，但是在高溫面前卻是無能為力，不是被融化就是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。然而，鈀金直到在600-800 °C時(shí)才會(huì)被氧化。更讓人嘆為觀止的是，我們還會(huì)復(fù)原術(shù)，PdO到了800 °C以上又會(huì)分解成單質(zhì)Pd和O2，恢復(fù)金屬光澤[4]。因?yàn)檫@個(gè)性質(zhì)，我們?cè)俅纬晒x級(jí)。”

“第三輪比賽更加有趣，大賽組委會(huì)沒有規(guī)定具體的比賽內(nèi)容。而是讓晉級(jí)的金屬展現(xiàn)自己最具特色的能力。你且猜猜，我們展示的是什么？”鈀老爺子問道。

“那必然是別的金屬?zèng)]有的特質(zhì)，是鈀金的吸H2能力嗎？”

老爺子點(diǎn)點(diǎn)頭，說：“看來你沒少做功課呀！沒錯(cuò)，正如我們的家訓(xùn)‘海納百川’所講，鈀金有著很大的包容性，常溫下，鈀金所吸取的H2可達(dá)自身體積的700多倍[2]，雖說吸收H2后我們會(huì)變脆易碎，但是把鈀金加熱到40-50 °C，吸收的H2又可以大幅度釋放。這個(gè)本事當(dāng)時(shí)可是讓評(píng)委眼前一亮，為我們加分不少?！?/p>

“想來冠軍非鈀莫屬了！”記者自信地說道。

“年輕人，莫要高興得太早！決賽的開放性題目讓金屬們各顯神通，評(píng)委們大開眼界的同時(shí)卻也犯了難：不同的本領(lǐng)本無高下之分，這最厲害的金屬人選著實(shí)難以抉擇。不得已，他們舉辦了加時(shí)賽。”

“這次比得怕是耐酸性吧？”記者大膽猜測(cè)。

“沒錯(cuò)。雖說鈀金有一定的耐酸性，諸如HF和HCl的確無法傷得我們一根汗毛[2]，然而在濃HNO3中，我們卻會(huì)化為一灘血水[2]。因?yàn)檫@個(gè)弱點(diǎn)，我們最終和冠軍失之交臂。”

“可真是可惜??！”記者禁不住嘆息。

“哈哈，不要計(jì)較一時(shí)的得失嘛！塞翁失馬，焉知非福!”老爺子笑了笑，說：“雖說我們沒能獲得最厲害金屬的稱號(hào)，但是這場(chǎng)比賽讓我們意識(shí)到，鈀金雖然堅(jiān)韌但也有弱點(diǎn)。我們急需新的方針，來應(yīng)對(duì)未來可能遇到的危機(jī)?！崩舷壬従徠鹕?，對(duì)記者說：“你且隨我來?！?/p>

“當(dāng)年比賽結(jié)束后，我們便把主要的精力投入到尋找鈀的軟肋上。后來我們發(fā)現(xiàn)，在高溫下，鈀單質(zhì)會(huì)變得更加活潑。比如在約500 °C時(shí)，堿金屬的氧化物和過氧化物會(huì)迅速侵蝕我們[5]。Cl2和P等非金屬在高溫下也十分容易與我們反應(yīng)[2]?！?/p>

“這可如何是好？”記者焦急地問道。

“我們知道，硬碰硬是肯定不行的。想要解決這些問題，還得采用一些迂回政策。你還記得我們是怎么被發(fā)現(xiàn)的嗎？”

“從Pd(CN)2中加熱還原……哦！我知道了！我們可以找還原劑來為受傷的鈀療傷！”

“正是！所有的鈀化合物都容易分解或還原為金屬[5]。只要我們找到合適的還原劑，與之合作，所有的問題便會(huì)迎刃而解！”

“鈀氏真不愧是智慧女神的使者！”

“這法子不但是我們的御敵良策，還使我們多了新的用途，可以用來檢測(cè)還原性氣體。比如說Cl4K2Pd的水溶液在極少量的CO或CnH2n氣體存在下會(huì)出現(xiàn)黑色的金屬沉淀[5]?！?/p>

3 合作共贏，進(jìn)軍催化

跟隨著鈀老先生，記者走進(jìn)了一座頗有底蘊(yùn)的建筑，這便是鈀氏祠堂。出乎意料的是，祠堂排位上除了有鈀氏本族的印記，竟還有其他元素的標(biāo)志。這究竟是什么原因呢？

看到記者疑惑的神情，鈀老爺子解釋道：“這些都是我們鈀氏家族的合作伙伴，沒有他們，就沒有鈀氏的今天??！比如這氯元素，氯氣與鈀反應(yīng)生成的PdCl2就是常用的脫氫劑和催化劑，也是合成其他鈀化合物的主要原料。你可知道我們鈀催化劑的厲害？”鈀老爺子又考驗(yàn)起記者了。

“略有了解?！痹趯＜颐媲?，作者可不敢造次。

“我只知道，鈀催化劑在如今的各行各業(yè)都大放異彩，與我們生活最貼近的是汽車尾氣處理。但是它具體是個(gè)什么作用，還要靠您來給我們解惑了！”

鈀老爺子捻須一笑：“你說的不錯(cuò)。汽車尾氣中有大量有害氣體，如CO、HC (碳?xì)浠衔?和NOx。為了減少這些氣體的排放，我們需要在把它們進(jìn)一步氧化成無害的H2O、CO2和N2之后再排入大氣。整個(gè)過程看似簡(jiǎn)單，然而反應(yīng)條件實(shí)則特別苛刻，這就需要我們催化劑的幫助。”

鈀老先生隨即拿出一個(gè)汽車三元催化器(圖1)：“你看，裝置里面這些蜂窩狀的結(jié)構(gòu)主要是由Al2O3和CeO2構(gòu)成的，CeO2的加入可以提高催化劑的熱穩(wěn)定性和催化活性，延長(zhǎng)使用時(shí)間，還可以降低鈀的用量，節(jié)約生產(chǎn)成本[6]?！?/p>

圖1 三元催化劑示意圖

“那這催化劑是如何作用的呢？”記者好奇道。

“鈀催化劑具有微孔結(jié)構(gòu)，這些小孔就是我們?cè)O(shè)計(jì)最為巧妙的地方?！扁Z老爺子扶了扶鏡框，補(bǔ)充道：“一方面，這些小孔可以吸引更多的氣體附著在上面；另一方面，催化劑表面的O2分子和NOx分子在鈀的作用下被‘拉’得特別松散，使得O-O、N-O鍵發(fā)生斷裂，與此同時(shí)，鈀基催化劑促進(jìn)CO與O原子結(jié)合生成CO2，HC與O原子反應(yīng)生成CO2和H2O，兩個(gè)N原子重新結(jié)合成N2[6]。”

“好一個(gè)一箭三雕！”記者不禁感嘆。

“雖然整個(gè)鉑族金屬聯(lián)盟的六大集團(tuán)都有能力成為催化劑的供應(yīng)商，但是鈀氏集團(tuán)因?yàn)楣┙o量更為充足、價(jià)格便宜兩大優(yōu)勢(shì)占有了更大的市場(chǎng)份額[7]。”鈀老爺子補(bǔ)充道。

4 碳碳相連，紅線來牽

參觀完祠堂，鈀老爺子邀請(qǐng)記者來到他的書房，說道：“我們鈀氏子弟是過渡金屬，最具特色的就是擁有很多電子的同時(shí)也擁有很多可以利用的空軌道[2]。這使得電子在我們這里呀就很靈活，想來就來，想走就走?！?/p>

“這樣可太適合做中間人了！”記者回應(yīng)道。

“你說對(duì)了。我們鈀可是有機(jī)合成界有名的催化劑！當(dāng)年，就是老夫解決了‘碳碳難連’這個(gè)問題，成了有機(jī)合成界的著名‘月老’。”老爺子撫了撫胡須，說：“這‘C-C’鍵可是化學(xué)界難搞的一對(duì)歡喜冤家，兩個(gè)含碳的小家伙要么就不見面，根本連接不上；就是見面了，也是互相傷害，生成很多我們不想要的東西，當(dāng)時(shí)可是讓人頭疼不已。比如你看這個(gè)，”鈀老爺子指著一個(gè)雙鍵碳，碳上面連了一個(gè)鹵素，說：“這個(gè)碳是sp2雜化，因?yàn)辂u素是吸電子基團(tuán)，所以讓這個(gè)碳給出電子是不可能了。加上雙鍵的阻擋，其他給電子基團(tuán)難以進(jìn)攻?！?/p>

“這難給又難得的性子怎么可能和其他含碳基團(tuán)相連??！能給她牽紅線的人可真是有好大的能耐！”

“是啊，當(dāng)年，我可是想破了腦袋，才給她覓得良人的?！崩蠣斪诱苏I(lǐng)帶，開始給記者娓娓道來，“首先，我給她找了個(gè)容易給電子的對(duì)象——格氏試劑。他的端基碳因?yàn)楹玩V連接變得容易給出電子?！?/p>

“可是再容易給出也融化不了這個(gè)雙鍵碳的心??！”記者擔(dān)憂地說道。

“所以老夫出馬了，你看這兒，”老爺子指著墻上的照片(圖2)，有些得意地說：“我先用‘電子紅線’去找雙鍵碳，一條紅線連接上碳，另一條再連接上鹵素。然后再拉著她去找格氏試劑，小伙子見到心上人，順勢(shì)就把鹵素給擠了下來。雙鍵碳看在老夫的面子上，也收起了小性子，這對(duì)佳人在我的撮合下終于看到了對(duì)方的好。牽完紅線，老夫也不做‘電燈泡’，收起紅線默默離開，再去造福下一對(duì)有情人?！?/p>

圖2 鈀催化的碳碳偶聯(lián)反應(yīng)及機(jī)理[8]

在記者贊嘆著方法的巧妙時(shí)，鈀老爺子又拿出一個(gè)“P(Ph)3(三苯基磷)”的背簍，說：“這可是我的終極武器哦！如果兩個(gè)新人頑固不化，老夫就背著這個(gè)簍子去。我就不信還有我撮合不了的喜事！”

聽到這兒，記者不禁莞爾，真地沒想到，這位叱咤商場(chǎng)多年的常勝將軍竟也是一個(gè)頗為執(zhí)著的紅娘呢！不過說實(shí)話，這個(gè)“紅線”牽得真是造福人類，不僅可以把難以連接的基團(tuán)連接起來，還能保證化合物的構(gòu)型，如今的制藥領(lǐng)域可真是缺不了他！

5 抓住機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)

臨別之際，記者問及鈀氏集團(tuán)未來的規(guī)劃。

剛剛樂呵呵的鈀老先生不禁皺起眉頭：“現(xiàn)在最讓我放不下的就是這個(gè)原料問題啊。我們鈀氏子弟雖然人才濟(jì)濟(jì)，但是儲(chǔ)量太少了，還老愛和其他鉑族弟兄混在一起，分散在原鉑礦、硫化鎳銅礦、鎳黃鐵礦中。把他們分開就是一大難事。哎——”

老爺子長(zhǎng)嘆了一口氣，“我現(xiàn)在拜托科學(xué)家，正在研究更高效的提取方法。除此之外，我們也開啟了鈀廢料的回收計(jì)劃，從已經(jīng)廢舊的催化轉(zhuǎn)化器中提取鈀，來實(shí)現(xiàn)鈀的再利用。希望在我有生之年，可以看到更多的鈀氏子弟吧?！?/p>

“一定會(huì)的?！庇浾咦詈蟾鎰e時(shí)說，“您為世界貢獻(xiàn)如此之多，科學(xué)界一定會(huì)盡自己的力量，讓鈀氏家族的生命之火生生不息的?！?/p>

“海納百川，內(nèi)介外和”，看到這里，記者才體會(huì)到了這八個(gè)字的含義。或許，這八字家訓(xùn)便是鈀氏集團(tuán)成功的秘訣吧，你覺得呢？