Παλλάδιο: σφουγγάρι υδρογόνου

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο παλλάδιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ταξιδεύει και σε μια άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Στις αρχές της εβδομάδας (25.11.2013) οι «International New York Times» είχαν ένα άρθρο σχετικά με τα νέα zero-pollution cars, δηλαδή τα αυτοκίνητα που δεν ρυπαίνουν (και τόσο). Αφορμή η ανακοίνωση από τρεις ιαπωνικές εταιρείες, σχεδόν ταυτόχρονα, ότι ποντάρουν ξανά σε αυτοκίνητα με πηγή ενέργειας το υδρογόνο και τις λεγόμενες κυψέλες καυσίμου (Fuel Cells). Και όταν ακούς υδρογόνο, σχεδόν πάντοτε σκέπτεσαι ότι εκεί κάπου θα υπάρχει και αρκετό παλλάδιο. Διότι μία από τις πιο γνωστές του ιδιότητες είναι ότι ένα πλέγμα παλλαδίου δρα σαν υπερσφουγγάρι που μπορεί να απορροφήσει αφάνταστα μεγάλες ποσότητες υδρογόνου. Αυτό το κάνει περιζήτητο για πολλές εφαρμογές, έστω και αν ο μηχανισμός αυτής της απορρόφησης και της προσρόφησης στην επιφάνεια χρειάστηκε τη βοήθεια δυνατών ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και υπερυπολογιστών της οικογένειας Cray-computers T3D για να εξιχνιαστεί αρκετά. Σε θερμοκρασία δωματίου και στη συνηθισμένη ατμοσφαιρική πίεση το παλλάδιο, ένα μέταλλο στιλπνό, μαλακό, που θυμίζει πλατίνα, μπορεί να απορροφήσει 900 φορές τον όγκο του σε υδρογόνο. Ενας σπόγγος δηλαδή, που χονδρικά μπορούμε να πούμε ότι είναι σε θέση να απορροφήσει εκατοντάδες κουβάδες με νερό.

Την εποχή που ο άγγλος χημικός και φυσικός William Hyde Wollaston (1766-1828) ασχολήθηκε με τα λεγόμενα ευγενή μέταλλα ή, πιο σωστά, «μέταλλα λευκόχρυσου», λευκόχρυσο, ιρίδιο, ρουθήνιο, ρόδιο, όσμιο και παλλάδιο, που τότε δεν ήταν γνωστά το καθένα χωριστά, είχε ανακαλυφθεί μια ομάδα αστεροειδών (28.3.1802) και το βασικό όνομα που δόθηκε σε αυτήν ήταν Παλλάς. Από εκεί εμπνεύστηκε ο Wollaston το όνομα για το δικό του στοιχείο. Η λέξη Παλλάς συνδέεται με τη θεά των Ελλήνων, την Αθηνά, αλλά υπάρχουν δύο εκδοχές. Η μία λέει ότι το δόρυ που κρατάει πάλλεται απειλητικά εναντίον των εχθρών της και η άλλη ότι δήλωνε σε πολύ παλαιότερες εποχές την παρθένο-κόρη. Πάντως υπήρχε και η λέξη «πάλος», η οποία σήμαινε τον κλήρο που έβγαινε μέσα από τους πολλούς κλήρους τους τοποθετημένους σε ένα κράνος πολεμιστή. Το κουνούσαν και τραβούσαν τον κλήρο. Μην ξεχνάμε ότι η Αθηνά σχηματικά και κάπως ανάλογα προέκυψε από την κεφαλή του Δία.

Ατομικός αριθμός: 46

Ατομικό βάρος: 106,42

Σημείο τήξης: 1.552^oC

Σημείο ζέσης: 2.963^oC

Αριθμός ισοτόπων: 38

Τίποτε. Εχει χαμηλή τοξικότητα και σε μικρές ποσότητες δεν κινδυνεύουμε, αφού είναι γνωστό ότι παλαιότερα το έγραφαν σαν φάρμακο (των 65 mgr) για τη φυματίωση.

Σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας, όπως το «Iron Man 1», εμφανίζεται το παλλάδιο (στη στολή με μνήμη που κατασκευάζει ο πρωταγωνιστής για να αποδράσει), ενώ στην ταινία με τον Σβαρτσενέγκερ σαν ρομπότ-Terminator έχουμε το μέταλλο που ρευστοποιείται από τη θερμότητα των βλημάτων και ύστερα από λίγο ψύχεται και ξαναπαίρνει την αρχική του μορφή. Γίνονται ήδη έρευνες με κράματα παλλαδίου – σιδήρου που με θέρμανση αλλάζουν σχήμα (και κρυσταλλική δομή) και επιστρέφουν όταν ψυχθούν στην αρχική τους κατάσταση [Platinum Metals Rev., 2003, 47 (2)], όντας βέβαια μακριά ακόμη από τα όσα αντικρίζει στην οθόνη ο θεατής.

Σε κοσμήματα και αξεσουάρ το παλλάδιο έχει χρησιμοποιηθεί αντί της πλατίνας. Κάποτε μάλιστα ήταν το στοιχείο της μόδας για τα ανδρικά δαχτυλίδια.

Η πιο γνωστή χρήση του παλλαδίου είναι στους καταλύτες των αυτοκινήτων. Πιο παλιά χρησιμοποιούσαν πλατίνα, αλλά με την άνοδο της τιμής της έχουμε τώρα ένα πλέγμα από παλλάδιο να προσφέρει την επιφάνεια όπου τα βλαβερά αέρια από την καύση της βενζίνης ετοιμάζονται κατάλληλα για να γλιστρήσουν στην ατμόσφαιρα. Προς το παρόν η πλατίνα χρησιμοποιείται μόνο στους κινητήρες ντίζελ, διότι τα καυσαέρια από τους κινητήρες αυτούς είναι εξαιρετικά οξειδωτικά και εκεί έχουμε μετατροπή του παλλαδίου σε οξείδιο του παλλαδίου, που είναι λιγότερο αποτελεσματικό.

Μια άλλη χρήση του παλλαδίου είναι στην Οδοντιατρική. Αφού ανέβηκαν οι τιμές σε πλατίνα και χρυσό, η χρήση παλλαδίου αυξήθηκε. Είναι χαρακτηριστικό ότι στην Ιαπωνία για όλες τις οδοντιατρικές εργασίες που επιχορηγούνται από την κρατική υγειονομική περίθαλψη είναι υποχρεωτικό σε σφραγίσματα και τεχνητά δόντια να περιέχεται τουλάχιστον 20% παλλάδιο στο γνωστό κράμα «κινπάλα».

Στις συσκευασίες με παλλάδιο, μπανάνες, αβοκάντο, μήλα, πεπόνια, ντομάτες, κομμένα άνθη και άλλα είδη που κάνουν μεγάλα ταξίδια συντηρούνται καλύτερα

Αιθανόλη παράγεται οικονομικά με τη βοήθεια καταλυτών από παλλάδιο, στη γνωστή «Wacker Process» (50-130 βαθμοί Κελσίου, πίεση 3-10 ατμόσφαιρες). Αλλά πιο κοντά στον καθημερινό καταναλωτή είναι η χρήση των συσκευασιών με παλλάδιο στο εσωτερικό τους για μπανάνες, αβοκάντο, μήλα, πεπόνια, ντομάτες, κομμένα άνθη και άλλα τέτοια είδη που χρειάζεται να κάνουν μεγάλα ταξίδια και να μένουν αρκετό χρόνο στα ράφια. Βάζουν παλλάδιο που επιδρά καταλυτικά διασπώντας το αιθυλένιο, το αέριο που συνεργεί στην ωρίμαση όλων αυτών και τα κάνει να χαλούν μέσα στη συσκευασία.

Οι αστεροειδείς είναι μικρά ουράνια σώματα που περιφέρονται γύρω από τον Ηλιο μέσα στο δικό μας πλανητικό σύστημα, κυρίως ανάμεσα στις τροχιές του Αρη και του Δία. Τα μεγέθη τους ποικίλλουν από 933 χιλιόμετρα διάμετρο ως και λιγότερο από χιλιόμετρο. Ενα από αυτά ήταν και ο αστεροειδής Παλλάς με διάμετρο περίπου 500 χιλιόμετρα.

Από προσομοιώσεις που έγιναν με τη βοήθεια των υπερυπολογιστών Cray T3D βγαίνει ότι σε πρώτη φάση άτομα υδρογόνου πηγαίνουν και κάθονται σε κατάλληλες και ευνοϊκές για τον όλο σχηματισμό θέσεις επιφανειακά στο μεταλλικό πλέγμα του παλλαδίου και στη συνέχεια οι μεταξύ των ατόμων του μετάλλου θέσεις στο πλέγμα διευρύνονται, ίσως εξαιτίας των πολωμένων ατόμων του υδρογόνου (δηλαδή το αρνητικό και θετικό φορτίο έχουν τραβηχθεί προς τα δύο αντίθετα άκρα αντίστοιχα). Τότε έχουμε μια εισβολή ατόμων υδρογόνου σε θέσεις μέσα στο πλέγμα, σε πολύ πυκνή διάταξη, σαν πουλιά που ξαφνικά βρήκαν θέσεις σαν αναρίθμητες φωλιές. Και το χρήσιμο είναι πως εύκολα μπορεί το πλέγμα του παλλαδίου να απαλλαγεί από τους… εισβολείς. Αν δεν ήταν τόσο ακριβό, θα χρησίμευε στα αυτοκίνητα σαν αποθήκη (ρεζερβουάρ) υδρογόνου.

Η βασική διάταξη σε μια κυψέλη καυσίμου είναι δύο ηλεκτρόδια που περιβάλλουν έναν ηλεκτρολύτη, όπως οι φέτες του ψωμιού το τυρί στο σάντουιτς. Οξυγόνο περνάει από το ένα ηλεκτρόδιο και υδρογόνο από το άλλο, αποδίδοντας τελικά ηλεκτρικό ρεύμα, νερό και θερμότητα. Στην άνοδο πρέπει το υδρογόνο να χωριστεί από το μοναδικό του ηλεκτρόνιο και αυτό γίνεται με τη βοήθεια καταλύτη (στη συνέχεια το ηλεκτρόνιο δίνει την ηλεκτρική ενέργεια που χρειαζόμαστε για να κινηθεί π.χ. ένα αυτοκίνητο, ενώ ό,τι απέμεινε από το υδρογόνο (ιόν), περνάει από τον καταλύτη και ενώνεται με το οξυγόνο για να δώσει νερό (σε αμερικανικά διαστημόπλοια έχουν πόσιμο νερό με αυτόν τον τρόπο). Τα αυτοκίνητα που αναφέραμε στην αρχή ανεφοδιάζονται με υδρογόνο από ειδικούς σταθμούς. Ο καταλύτης ήταν ως τώρα πλατίνα στις κυψέλες καυσίμου, τώρα όμως υπάρχουν «φρέσκες» εργασίες που αποδεικνύουν ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίχρισμα αργύρου με παλλάδιο σε νανοσωλήνες ως καταλύτης (βλ. «Yale News», 13.3.2013, http://news.yale.edu/2013/03/16/fuel-cells-evolve-role-emerges-palladium).