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46. Palladium (Pd) – Der Katalysator der Zukunft · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Heute reisen wir zu einem
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Element, das wie sein naher Verwandter Rhodium zu den
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stillen Helden unserer modernen Welt gehört.
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Palladium, Chemisches Symbol PD. Ordnungszahl, 46 ein
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silberweißes Metall, das auf den ersten Blick kaum von Platin zu
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unterscheiden ist und doch eine ganz eigene Persönlichkeit
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besitzt. Es ist weicher als sein
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berühmter Verwandter, Formbarer leichter und es hat eine
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Eigenschaft, die in der Welt der Elemente einzigartig ist und
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beinahe an Magie grenzt. Palladium kann Wasserstoff in
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sich aufnehmen wie ein Schwamm, das Wasser bis zum 900 fachen
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seines eigenen Volumens und es kann diesen Wasserstoff auch
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wieder abgeben. Kontrolliert, dosiert, präzise.
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Diese Eigenschaft macht es zu einem Schlüsselelement für eine
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Zukunft, in der Wasserstoff eine zentrale Rolle in der
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Energieversorgung spielen könnte und.
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Und sie ist nur eine von vielen Facetten, die Palladium zu einem
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der spannendsten Metalle des Periodensystems machen.
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Die Geschichte des Palladiums beginnt, wie wir schon bei
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Rodium gehört haben, in einem Londoner Laboratorium des frühen
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19 Jahrhunderts, William Hyde Wallerstone dieser gründliche
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und stille Chemiker, der lieber im Verborgenen arbeitete als im
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Rampenlicht stand. Isolierte das Element im Jahr
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1802 aus südamerikanischen Platinerzen ein Jahr vor seiner
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Entdeckung des Rhodiums. Doch Wollerston wählte einen
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ungewöhnlichen Weg, um seine Entdeckung bekannt zu machen,
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statt sie umgehend in einer wissenschaftlichen Zeitschrift
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zu publizieren, ließ er das Metall in einem Londoner
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Mineralienladen zum Verkauf anbieten.
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Mit einer anonymen Notiz, die das neue Element ankündigte.
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Diese eigentümliche Vermarktung führte zu einer öffentlichen
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Kontroverse. Der irische Chemiker Richard
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Chinewicks kaufte eine Probe, untersuchte sie und behauptete,
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es handle sich keineswegs um ein neues Element, sondern um eine
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Legierung aus Platin und Quecksilber.
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Wollastone schwieg zunächst. Ließ Zenewigs gewähren und bot
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dann öffentlich einen Geldpreis aus, falls jemand das Metall
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durchmischen anderer Substanzen herstellen könne.
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Niemand schaffte es erst 2 Jahre später, im Jahr 1805, bekannte
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sich Wollerson in einem Vortrag vor der Royal Society zu seiner
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Entdeckung und beschrieb detailliert das Verfahren der
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Isolierung. Den Namen Palladium hatte er
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bereits gewählt, abgeleitet vom Asteroiden Pallas, der erst kurz
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zuvor entdeckt worden war. Im Jahr 1802 durch den deutschen
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Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers.
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Die Pallas wiederum war benannt nach der griechischen Göttin
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Pallas Athene, der Göttin der Weisheit, des strategischen
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Denkens und der Handwerkskunst. Es ist eine schöne Verbindung.
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Denn auch das Element Sell hat über die Jahrhunderte etwas
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Athenisches bewahrt, eine Verbindung von Klugheit und
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nützlicher Anwendung. Die physikalischen Eigenschaften
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des Palladiums verdienen einen genaueren Blick, es hat einen
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schmelzpunkt von 1555 Grad Celsius, einen Siedepunkt von
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2963 Grad Celsius. Eine Dichte von 12,02 Gramm pro
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Kubikzentimeter. Damit ist es das leichteste
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aller Platinmetalle, deutlich weniger dicht als Platin mit
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21,5 Gramm pro Kubikzentimeter oder Iridium mit 22,5 und 60.
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Es ist duktil, also gut verformbar.
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Lässt sich zu Drähten ziehen und zu blechen Walzen und es ist mit
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einer Mooshärte von 4,5 eines der weicheren Edelmetalle an
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Luft, bleibt es bei Raumtemperatur weitgehend
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stabil, oberhalb von etwa 400 Grad Celsius bildet es
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allerdings eine dünne Oxidschicht, die bei höheren
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Temperaturen wieder zerfällt. In dieser thermischen Eigenheit
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unterscheidet es sich davon. Platin, das auch bei hohen
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Temperaturen praktisch nicht oxidiert.
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Die wohl bemerkenswerteste Eigenschaft des Palladiums ist
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seine außergewöhnliche Fähigkeit, Wasserstoff zu
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absorbieren, bei Raumtemperatur und Normaldruck kann ein
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Kubikzentimeter Palladium etwa 900, Kubikzentimeter
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Wasserstoffgas aufnehmen. Diese Aufnahme erfolgt nicht
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durch eine bloße Adsorption an der Oberfläche, sondern durch
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eine echte Diffusion in das Metallgitter hinein.
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Die Wasserstoffmoleküle Dissoziieren an der
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Palladiumoberfläche in einzelne Wasserstoffatome.
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Diese Atome wandern dann durch das Kristallgitter und setzen
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sich in den Zwischenräumen zwischen den Palladiumatomen
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fest. Das Metall bildet dabei
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Hydridphasen, in denen das Verhältnis von Wasserstoff zu
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Palladium bis zu einem Wert von etwa 0,7 erreichen kann.
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Diese Eigenschaft wurde bereits 1866 durch den schottischen
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Chemiker Thomas Graham entdeckt, der das Phänomen erstmals
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quantitativ beschrieb. Graham erkannte, dass Palladium
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den Wasserstoff nicht nur aufnimmt, sondern auch
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durchlässt, sofern eine Druckdifferenz besteht.
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Diese selektive Durchlässigkeit ist die Grundlage für die
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Wasserstoffreinigung mit Palladiummembranen, einem
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Verfahren, das in der industriellen Chemie und
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zunehmend auch in der Wasserstofftechnologie
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eingesetzt wird, eine. Eine dünne Palladiumfolie lässt
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nur Wasserstoff hindurch, während alle anderen Gase
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zurückgehalten werden. Auf diese Weise lässt sich
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hochreiner Wasserstoff gewinnen, wie er etwa für die
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Halbleiterproduktion oder für Brennstoffzellen benötigt wird.
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Die katalytische Wirkung des Palladiums ist eng mit dieser
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Wasserstoffaffinität verknüpft. Wenn Wasserstoffatome im
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Palladiumgitter sitzen oder an seiner Oberfläche haften, sind
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sie wesentlich reaktionsfreudiger als in der
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ursprünglichen Form als Wasserstoffmolekül.
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Sie können dann mit anderen Molekülen reagieren, etwa mit
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organischen Verbindungen, die Doppel oder Dreifachbindungen
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enthalten und diese in einfachere, gesättigte
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Verbindungen umwandeln. Diese Reaktion.
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Die Hydrierung ist eine der wichtigsten Reaktionen der
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Organischen Chemie und der industriellen
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Lebensmittelproduktion. Palladium ist hier ein
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Katalysator von herausragender Bedeutung, sei es in der Härtung
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von Pflanzenölen zur Margarineproduktion, in der
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Synthese von pharmazeutischen Wirkstoffen oder in der
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Petrochemie, die. Daneben hat sich Palladium in
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den letzten Jahrzehnten zu einem unverzichtbaren Werkzeug der
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modernen organischen Synthese entwickelt, vor allem durch die
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sogenannten Palladium Katalysierten
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Kupplungsreaktionen. Diese Kupplungsreaktionen
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ermöglichen es, Kohlenstoff, Kohlenstoff, Bindungen zwischen
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2 Molekülen unter milden Bedingungen zu knüpfen, eine
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Aufgabe, die in der klassischen organischen Chemie oft sehr
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schwierig war. Im Jahr 2010 erhielten 3
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Forscher den Nobelpreis für Chemie für ihre Beiträge zu
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diesem Feld. Richard F.
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Heck, geboren 1931 in Springfield in den Vereinigten
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Staaten gestorben 2015 auf den Philippinen, entwickelte in den
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späten 60er Jahren die nach ihm benannte Heck Reaktion Aichi
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Negishi geboren 1935 in Changchun die.
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In der damals japanisch besetzten Mandschurei gestorben
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2021 entwickelte die nigischi Kupplung, die mit
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zinkorganischen Verbindungen arbeitet.
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Akira Suzuki, geboren 1930 in Mukawa in Japan, entwickelte
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gemeinsam mit seinem Mitarbeiter Norio Miaura die Suzuki
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Kupplung, die mit Bohrverbindungen arbeitet.
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Diese 3 Reaktionen, ergänzt durch weitere wie die stille
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Kupplung, die sonogashira Kupplung oder die Buchwald
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Hartwig Aminierung, sind aus der modernen Wirkstoffsynthese nicht
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mehr wegzudenken. Schätzungen zufolge basieren
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mehr als ein Viertel aller heutzutage industriell
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hergestellten pharmazeutischen Wirkstoffe in mindestens einem
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Schritt auf einer Palladium katalysierten Kupplungsreaktion.
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Auch in der Synthese von Pflanzenschutzmitteln,
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Farbstoffen, Polymeren und Materialien für die Elektronik
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werden diese Reaktionen täglich angewendet.
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Die zweite große industrielle Anwendung des Palladiums ist wie
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schon bei Rhodium der Fahrzeugkatalysator, etwa 80%
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der weltweiten Palladiumproduktion fließen in
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diese Anwendung im. 3 Wege Katalysator von Benzinmotoren
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übernimmt Palladium gemeinsam mit Platin die Oxidation von
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Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen.
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Über Jahrzehnte hinweg wurde Platin für diese Aufgabe
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bevorzugt, doch als der Platin Preis ab den späten 90er Jahren
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stark stieg, suchte die Automobilindustrie nach
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Alternativen. Palladium erwies sich als
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günstiger und in vielen Anwendungen ebenso wirksam.
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Eine massive Substitution begann vor allem nach der
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Jahrtausendwende. Im Jahr 2000 waren Platin und
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Palladium Katalysatoren etwa gleich verbreitet, danach drehte
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sich das Verhältnis zugunsten des Palladiums.
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Diese Substitution hatte allerdings ihren Preis im
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wahrsten Sinne des Wortes, denn die wachsende Nachfrage trieb
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auch den Palladiumpreis in die Höhe.
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Im Frühjahr 2022 erreichte Palladium einen historischen
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Höchststand von rund $3000 pro Feinunze, womit es zeitweise
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sogar Platin und Gold im Preis übertraf.
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Ein bemerkenswertes Phänomen für ein Metall, das viele Jahrzehnte
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lang als günstigerer Verwandter des Platins galt.
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Der Krieg in der Ukraine und die damit verbundenen Sanktionen
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gegen Russland, einen der größten Palladiumproduzenten der
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Welt, trugen erheblich zu diesem Preisanstieg bei.
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Inzwischen hat sich der Markt wieder beruhigt.
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Der Preis schwankt seit 2023 in einem Bereich zwischen 1002
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$1000 pro Feinunze und die langfristigen Aussichten hängen
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stark von der Geschwindigkeit der Elektrifizierung des
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Automobilverkehrs ab. Die geographische Verteilung der
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Palladium vorkommen ist ähnlich konzentriert wie bei Rhodium.
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Aber mit einer wichtigen Verschiebung.
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Russland ist hier der mit Abstand größte Förderer, das
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russische Unternehmen Norils Knickel, ansässig in der
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gleichnamigen Stadt auf der Taimyur Halbinsel weit nördlich
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des Polarkreises, produziert allein etwa 40% des weltweiten
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Palladiums. Diese Vorkommen entstanden vor
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etwa 250000000 Jahren. In einem gewaltigen vulkanischen
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Ereignis der sibirischen Trappe, einer der größten
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flutbasaltischen Provinzen der Erdgeschichte, die mit dem
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größten Massenaussterben der Erdgeschichte am Ende des Perm
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Zeitalters in Verbindung gebracht wird.
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Die magmatischen Prozesse, die damals den Großteil aller Arten
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auf der Erde auslöschten, haben in den tiefen Schichten der
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Erdkruste die größten Anhäufungen von Palladium der
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Welt entstehen lassen. Es ist eine bittere ökologische
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Ironie, dass wir heute aus diesen Schichten ein Metall
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fördern, mit dem wir die Schadstoffemissionen unserer
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Fahrzeuge reduzieren. Südafrika ist mit etwa einem
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Drittel der Weltproduktion der zweitgrößte Förderer, gefolgt
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von Kanada, Simbabwe und den Vereinigten Staaten.
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Diese starke Abhängigkeit von Russland macht den
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Palladiummarkt besonders sensibel für geopolitische
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Spannungen. Die Gewinnung des Palladiums
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erfolgt überwiegend als Nebenprodukt der Nickel und
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Kupferförderung in den russischen und kanadischen
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Vorkommen sowie als Hauptprodukt im südafrikanischen Busch.
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Welt Komplex die Anreicherungs und Trennverfahren ähneln denen
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für Rhodium mit einer langen Kette aus Flotation.
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Schmelzen, chemische Auflösung und schließlich Trennung der
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einzelnen Platinmetalle voneinander, etwa 20% des heute
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verwendeten Palladiums, stammen aus dem Recycling vor allem aus
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alten Fahrzeugkatalysatoren, daneben aus Industrieabfällen
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und elektronischem Schrott. Das Recycling gewinnt zunehmend
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an Bedeutung, sowohl aus ökologischen als auch aus
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strategischen Gründen, weil die Abhängigkeit von wenigen
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Förderländern für viele Industriestaaten zu einem
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ernsten Risiko geworden ist. In der Elektronikindustrie
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spielt Palladium eine wichtige, aber oft übersehene Rolle.
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Es wird in Mehrlagen, Keramik, Kondensatoren verwendet, jenen
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winzigen Bauteilen, die in nahezu jedem elektronischen
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Gerät zu Tausenden Vorkommen, in Mobiltelefonen, Computern,
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Fernsehern, Autoelektronik finden sich diese Kondensatoren,
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deren elektrisch leitende Schichten teilweise aus
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Palladium oder Palladium silberlegierungen bestehen.
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Auch in Steckkontakten, in Lötlegierungen und in
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Beschichtungen von Steckverbindern wird Palladium
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verwendet, weil es eine gute elektrische Leitfähigkeit mit
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hoher Korrosionsbeständigkeit und Lötbarkeit verbindet.
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Daneben findet es in der Zahnmedizin Anwendung in Form
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von Palladium, Silberlegierungen für Inlays, Kronen und Brücken.
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Wobei diese Anwendung in den letzten Jahrzehnten teilweise
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durch keramische Werkstoffe verdrängt wurde.
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Eine kuriose und doch wissenschaftshistorisch
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bedeutsame Episode in der Geschichte des Palladiums ist
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die sogenannte kalte Fusion. Im März 1989 hielten der
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amerikanische Elektrochemiker Stanley Ponce und der britisch
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amerikanische Chemiker Martin Fleischmann an der University of
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Utah eine aufsehenerregende Pressekonferenz ab.
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Sie behaupteten, in einer einfachen elektrochemischen
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Zelle mit Palladiumelektroden und schwerem Wasser eine
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Kernfusion bei Raumtemperatur erzeugt zu haben.
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Wenn dies stimmte, wäre damit eine praktisch unerschöpfliche,
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saubere Energiequelle entdeckt worden.
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Denn die Verschmelzung von Wasserstoffkernen zu Helium
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setzt enorme Energiemengen frei. Die wissenschaftliche Welt
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reagierte zunächst mit Begeisterung, dann mit
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zunehmender Skepsis, weil sich die Ergebnisse in unabhängigen
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Laboratorien nicht reproduzieren ließen.
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Innerhalb weniger Monate war die kalte Fusion als
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wissenschaftlicher Irrtum entlarvt und die Karrieren von
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Ponx und Fleischmann gerieten in schwere Schieflage.
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Die Episode wurde zum Lehrstück für die Bedeutung der
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Reproduzierbarkeit in der Wissenschaft und für die
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Gefahren voreiliger Veröffentlichungen über
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Pressekonferenzen statt durch fachliche Begutachtung.
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Bis heute gibt es eine kleine Gemeinschaft von Forscherinnen
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und Forschern, die. Die behaupten, in Palladium
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beladenen Systemen anomale Wärmeentwicklungen oder
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unerklärliche Kernreaktionen zu beobachten.
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Doch ein eindeutiger reproduzierbarer Nachweis steht
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weiterhin aus. Die Geschichte hat dem Palladium
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dennoch den Beinamen verliehen, das Metall der unerfüllten
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Versprechen zu sein, eine Beschreibung, die ihm allerdings
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angesichts seiner sonstigen Erfolge kaum gerecht wird.
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Die Wasserstoffwirtschaft, die in den kommenden Jahrzehnten an
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Bedeutung gewinnen dürfte, bietet dem Palladium
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möglicherweise eine neue, gewaltige Bühne.
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Wenn Wasserstoff als Energieträger eine zentrale
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Rolle in der Energieversorgung übernimmt, dann werden Verfahren
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zur Herstellung, Reinigung, Speicherung und Verteilung
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dieses Gases enorm an Bedeutung gewinnen.
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Palladium spielt in mehreren dieser Bereiche eine
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Schlüsselrolle in der Brennstoffzelle, in der
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Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser reagieren und dabei
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elektrische Energie freisetzen, werden palladiumhaltige
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Katalysatoren intensiv erforscht auch in der
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Wasserstoffspeicherung gibt es Konzepte, in denen
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Palladiumlegierungen den Wasserstoff binden und bei
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Bedarf wieder freigeben. In der Elektrolyse, also der
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Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit
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elektrischem Strom, kommen ebenfalls palladiumhaltige
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Elektrodenmaterialien zum Einsatz.
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Daneben werden Palladiummembranen für die
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Reinigung von Wasserstoff verwendet, wenn dieser etwa aus
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Erdgasreformierung oder Ammoniakspaltung gewonnen wird
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und Begleitgase abgetrennt werden müssen.
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Die Vorstellung, dass dasselbe Element, das uns heute hilft,
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die Schadstoffe der Verbrennungsmotoren zu
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reduzieren, uns morgen helfen könnte, eine kohlenstofffreie
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Energieversorgung aufzubauen, ist eine schöne Perspektive und
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ein Beispiel dafür, wie die Werkzeuge einer Epoche oft den
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Weg zur nächsten Ebenen, die chemischen Eigenschaften des
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Palladiums sind reich und vielfältig.
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Es kommt in seinen Verbindungen vorwiegend in den
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Oxidationsstufen 0 + 2 und plus 4 vor, wobei die Stufe plus 2
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die häufigste ist. Palladium 2 Chlorid PDC L 2 ist
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eine wichtige Ausgangsverbindung für viele Synthesen.
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Ebenso palladiumacetat die elektronische Konfiguration des
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Palladiums ist im Vergleich zu den meisten.
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Anderen Übergangsmetallen ungewöhnlich, denn es weist eine
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vollständige Auffüllung der D. Schale im Grundzustand auf.
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Die Konfiguration lautet Krypton 4 de 10 ohne Elektronen in der
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fünften Hauptschale diese Anordnung ist eine seltene
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Ausnahme im Periodensystem und führt dazu, dass Palladium in
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mancher Hinsicht eher wie ein Edelgas reagiert, mit einer
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hohen Stabilität der vollen d Schale.
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Die in Reaktionen erst aufgebrochen werden muss.
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In wässriger Lösung bildet Palladium komplexe Ionen, oft
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mit Liganten wie Chlorid, Ammoniak, Phosphinen oder
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organischen Stickstoff und Schwefelverbindungen.
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Die Vielfalt dieser Komplexe ist die chemische Grundlage seiner
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katalytischen Vielseitigkeit. In der medizinischen Forschung
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wird Palladium seit einigen Jahren als möglicher Kandidat
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für Krebsmedikamente untersucht. Inspiriert vom Erfolg des
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Platinhaltigen CIS Platins, eines der wichtigsten
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Chemotherapeutika seit den 70er Jahren, suchen Forscherinnen und
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Forscher nach palladiumhaltigen Verbindungen, die ähnlich oder
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besser gegen Tumore wirken könnten.
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Ohne deren teilweise schwere Nebenwirkungen.
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Die ersten Ergebnisse sind ermutigend, doch der Weg von der
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Grundlagenforschung zur klinischen Anwendung ist lang
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und keiner der bislang untersuchten Palladiumkomplexe
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hat es bisher zur Zulassung als Medikament geschafft.
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Daneben werden palladiumhaltige Verbindungen auch als
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potentielle Wirkstoffe gegen tropische Krankheiten wie
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Leishmaniose und Chagas Krankheit untersucht.
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Mit ähnlich vielversprechenden, aber noch nicht ausgereiften
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Resultaten. Die Isotopenverhältnisse des
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Palladiums sind interessant in der Natur kommen 6 stabile
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Isotope vor, mit den Massenzahlen 102, 104, 105. 106
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108 und 110 die häufigsten sind Palladium 106 mit etwa 27%
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Häufigkeit und Palladium 108 mit etwa 26%.
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Daneben existieren mehrere künstliche radioaktive Isotope,
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von denen Palladium 107 mit einer Halbwertszeit von etwa
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sechseinhalb Millionen Jahren das langlebigste ist.
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Dieses Isotop hat eine besondere wissenschaftshistorische
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Bedeutung, denn es entsteht in geringen Mengen bei der Spaltung
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von Uran in Kernreaktoren und ist eines der Langlebigeren
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Spaltprodukte, die in der Diskussion um die Endlagerung
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nuklearer Abfälle eine Rolle spielen.
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Auch in Meteoriten wird gelegentlich nach Spuren des
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längst zerfallenen Palladium 107 gesucht.
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Weil dieses Isotop in der Frühzeit des Sonnensystems
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vorhanden gewesen sein muss und seine Zerfallsprodukte heute
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Hinweise auf die zeitliche Abfolge der Bildung von
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Asteroiden und Planeten liefern, können.
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In der Erdkruste ist Palladium mit einer durchschnittlichen
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Konzentration von etwa 0,006 Gramm pro Tonne ein extrem
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seltenes Element, ähnlich selten wie Gold oder Rhodium in.
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Wie die anderen Platinmetalle ist es siderophil und neigt
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dazu, sich mit Eisen zu verbinden, weshalb der größte
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Teil des ursprünglich vorhandenen Palladiums bei der
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Bildung der Erde in den Erdkern wanderte.
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Was wir heute in der Kruste finden, stammt zum Teil aus
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diesem späten Furnier durch Meteoriteneinschläge nach der
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Kernbildung. Zum Teil aus Magmatischen
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Differenzierungsprozessen, bei denen die Platinmetalle in
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bestimmten geologischen Strukturen angereichert wurden.
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So legen wir nun das stille, silbrige Element zur Ruhe dieses
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Metall. Das so viel kann und das doch im
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Alltag fast unsichtbar bleibt, das in winzigen Mengen in
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unseren Autos, unseren Telefonen, unseren Medikamenten
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arbeitet, ohne dass wir je seine Anwesenheit bemerken.
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Schlaf gut.