داستان کشف فلزات کمیاب – پالادیم
نوشته س. ونتسکی
ترجمه مهندس محمدرضا افضلی
آن روز ریچارد چنویکس؛ شیمیدان موفق انگلیسی، زودتر از همیشه از خواب برخاست. ابرهای تیره و بارانزا آسمان را فرا گرفته بود. باران گویی از بارش شبانه بر بامها قانع نشده بود و ریزش آن تا فرا رسیدن روز تداوم یافته بود و بیهوده میکوشید کیفیت ساختمانهای لندن را بیازماید. به نظر میرسید که آسمان تصمیم دارد هر چه باران دارد، بر زمین بریزد.
اگر آن صبح بارانی در سال 1803 شاهد رویدادی نبود که به شهرت علمی چنویکس لطمه وارد کند، شاید روا نمیبود که این همه بر پدیدههای جوی معمول در آلبیون مهآلود (نام قدیم انگلستان) تاکید کنیم.
چنویکس که فنجان قهوه در دست، روزنامههای صبح را نگاه میکرد، چشمش به اعلانی باور نکردنی افتاد حاکی از اینکه آقای فورستر، بازرگان و گردآورنده کانیها، فلزی جدید به نام پالادیوم را به قیمتی معقول در فروشگاهش میفروشد؛ فلزی که تا روز پیش هیچ شیمیدای در جهان نامش را هم نشنیده بود.
آیا این یک شوخی علمی بود یا نیرنگی تبلیغاتی؟ چنویکس کاملا اطمینان داشت که اصلا فلز جدیدی مطرح نیست، اما کنجکاوی بر او غلبه کرد و به رغم نامساعد بودن هوا عازم فروشگاه آقای فورستر شد.
در کمال تعجب، آقای فورستر به راستی شمش کوچکی از فلزی را نشانش داد که شبیه پلاتین، اما بسیار سبکتر از آن بود. فورستر توضیح داد که چند روز پیش نامهای به خط خوش و بر کاغذی گرانبها دریافت کرده است که در آن نویسندهای با نام مستعار به او پیشنهاد کرده شمش کوچکی از این فلز ناشناخته را به فروش برساند. فورستر بیش از این چیزی نمیدانست. چنویکس تصمیم گرفت شمش را بخرد، آن را تجزیه کند و کیمیاگر گستاخی را که مدعی کشف فلزی جدید شده بود، نزد همگان به ریشخند بگیرد. به علاوه، به سبب شرکت مالک فروشگاه در این شیادی شرمآور، درسی هم به او بیاموزد.
چنویکس همکارانش را از قصد خویش آگاه کرد و آنها در انتظار نتیجه کار ماندند. به زودی چنویکس مقالهاش را منتشر کرد و در آن گزارش داد که به اصطلاح پالادیم، فلزی جدید نیست بلکه آلیاژی از پلاتین و جیوه است. به نظر میرسید که شیادی افشا شده است، اما متاسفانه هر چه شیمیدانان دیگر کوشیدند، اثری از پلاتین و جیوه در این فلز مرموز نیافتند. چنویکس که از این بابت سخت آزردهخاطر شده بود، شتابزده توضیح داده که به اعتقاد او جیوه چنان با پلاتین آمیخته است که جدا کردن آنها عملا امکانپذیر نیست. افزون بر این او نسخهای هم برای تهیه آلیاژ تحویز کرد.
هیجان دوباره فلز جدید رفته رفته فروکش میکرد که ناگهان اعلانی در یکی از نشریههای علمی ظاهر شد. که بنابر آن اعلان، هر کس ظرف یک سال، طبق دستور چنویکس، یا با استفاده از هر فرایند دیگر، از آمیختن جیوه با پلاتین، پالادیم تهیه کند، 20 پوند! جایزه خواهد گرفت. تعداد کسانی که به دریافت این پول علاقهمند بودند کم نبود اما مهلت یک ساله سپری شد و نه چنویکس و نه هیچ کس دیگر نتوانست فلز را تولید کند.
اندکی پس از آنکه این مهلت سپری شد، در سال 1804، دبیر انجمن سلطنتی (فرهنگستان علوم) لندن، پزشک و شیمیدان مشهور ویلیام ولاستون، به انجمن گزارش داد که در حین تجزیه پلاتین، فلزی با همان ویژگیهای فلز فروخته شده به چنویکس، و نیز فلزی دیگر را کشف کرده که آن را رودیم نامیده است. در آغاز سال 1805 ولاستون نامهای سرگشاده به نشریهای که اعلان مربوط به اعطای جایزه را منتشر کرده بود نوشت و طی آن اعتراف کرد که او مسئول برپا کردن جنجال در مورد پالادیم بوده است؛ او فلز را کشف کرده و به فورستر سپرده بود تا آن را بفروشید و خود او نیز اعلان مربوطه به جایزه 20 پوندی را به نشریه داده بود.
نمیتوان گفت چه چیز ولاستون را وادار کرده بود کشف خود را بدین روش غیر عادی اعلام کند، اما این اقدام برای چنویکس مصیبتبار بود؛ او که از اشتباه بزرگ خود یکه خورده بود، به طور کلی شیمی را به دست فراموشی سپرد.
ولاستون با پالادیوم نامیدن فلز جدید، به استقبال اخترشناس آلمانی هاینریش ویلهلم اولبرس، رفت که در سال 1802، اخترواره جدیدی را که در منظومه شمسی کشف کرده بود به افتخار الهه یونانی خرد، پالاس آتنایی، پالاس نامیده بود.
تقریبا بیست سال بعد، مطلب زیر در گورنی جورنال (نشریه معدنکاری) در روسیه چاپ شد: «در سال 1822، دولت اسپانیا به ج. برین، دستور داد که همه ذخایر پلاتینی را که طی سالها در امریکا گردآوری شده بود، تصفیه و به شمش تبدیل کند. در نتیجه، هنگامی که برین 61 پود (هر پود 38/16 کیلوگرم) پلاتین را تصفیه کرد، 25/2 پوند (هر پوند 45/0 کیلوگرم) نیز پالادیم به دست آورد؛ او پالادیم را 5/5 برابر طلا قیمت گذاشت، زیرا بسیار کمیاب بود».
امروزه که میتوان تعداد همه عنصرهای موجود در پوسته زمین را کم و بیش با دقت تخمین زد، میتوان گفت که مقدار پالادیم در پوسته زمین تقریبا 10 برابر مقدار طلاست. هر چندز مین شیمیدانان بیش از 30 کانی حاوی این عنصر را یافتهاند، اما همه ذخایر پالادیم، مانند بقیه فلزهای گروه پلاتین، کم عیارند (تنها 6-10 × 5 درصد). پالادیم، برخلاف سایر فلزهای گروه پلاتین، به طور طبیعی همراه پلاتین یافته میشود. معمولا این فلز، طبیعی با پلاتین، ایریدیم، طلا و نقره آمیخته است. غالبا پالادیم به صورت مخلوط با پلاتین طبیعی یا طلا دیده میشود. نوع بسیار کمیابی از طلای طبیعی (پروپزیت) حاوی 8 تا 11 درصد پالادیم در برزیل یافت شده است.
چون تهنشستهای حاوی پالادیم نسبتا کمیاباند، ماده خام اصلی برای استخراج آن، کانههای سولفیدی نیکل و مس است. البته در اینجا پالادیم نقش فروتنانه فراوردهای جنبی را بر عهده دارد، اما این نکته از ارزش آن نمیکاهد. ترانسوال (در افریقای جنوبی) و کانادا دارای ذخایر سرشاری از این کانههایند. تازگی زمینشناسان شوروی (سابق) ذخایر بزرگی از کانههای مس- نیکل را در ناحیه نوریلسک کشف کردهاند که حاوی فلزهای گروه پلاتین، و به ویژه پالادیم است.
این عنصر در سایر اجرام سماوی نیز یافته میشود و وجود آن در شهابسنگ ها اثبات شده است: شهاب سنگهای آهنی در هر تن 7/7 گرم پالادیم دارند و در هر تن از شهاب سنگهای سنگی 5/3 گرم پالادیم یافت میشود. همه میدانند که بر سطح خورشید لکههایی هست، اما کمتر کسی میداند که خورشید پالادیم نیز دارد. با این حال، وجود پالادیم در خورشید، به همراه ژلیوم در سال 1868 کشف شد.
پالادیم که چگالی آن تقریبا 5/1 برابر آهن است، در میان «همقطاران» خود، یعنی، فلزهای گروه پلاتین، سبک وزن به شمار میرود: پالادیم با چگالی 12 گرم بر سانتیمتر مکعب، از اسمیم (22/5 g/ C)، ایریدم (4/22) و پلاتین (45/21) بسیار عقبتر است. نقطه ذوب این فلز نیز از سایر فلزهای گروه پلاتین کمتر، و برابر 1552 درجه سلسیوس است. پالادیم حتی در دمای محیط نیز چکشخوار است. پالادیم در جواهرسازی به کار میرود، چون فلزی زیباست و خوب صیقل میخورد و کدر یا خورده نمیشود.
همه با این اصطلاحهای کلیشهای روزنامهها از قبیل «طلای سیاه» برای نفت، «طلای نرم» برای خز و «طلای سبز» برای جنگلها آشناییم. هنگامی که از «طلای سفید» سخن میرود منظور پنبه است. اما طلا هم میتواند ظاهرا سفید باشد: اگر تعداد ناچیزی پالادیم به طلا افزوده شود رنگ زرد آن را کاملا زایل میکند و رنگ سفید زیبایی به آن میبخشد. ساعتها، دستبندها و جای نگینهایی که از طلای سفید ساخته میشوند زیبایی خیره کنندهای دارند.
همنشینی پالادیم با تیتانیم نتایج بسیار خوبی به بار آورده است. تیتانیم به سبب مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی معروف است: حتی «جانوران همه چیزخواری» همچون تیزاب سلطانی یا اسید نیتریک هم نمیتوانند «لقمهای» تیتانیم «بخورند».
اما اسید سولفوریک و اسید کلریدریک غلیظ بر تیتانیم اثر میگذارند. ولی اگر آن را با پالادیم «تقویت» کنیم (کمتر از یک درصد پالادیم)، توانایی تیتانیم برای مقاومت در برابر این تجاوزگران به شدت افزایش مییابد. در کارخانههای شوروی (سابق)، این آلیاژ به منظور مصرف در صنایع شیمیایی، روغنسازی و هستهای تولید میشود. صفحهای ساخته شده از این آلیاژ جدید پس از یک سال ماندن در اسید کلریدریک تنها 1/0 میلیمتر از ضخامتش را از دست میدهد، در حالی که صفحه ساخته شده از تیتانیم خالص، طی همین مدت بیش از 2 میلیمتر از ضخامت خود را از دست خواهد داد.
چرا پالادیم بر تیتانیم چنین تاثیری دارد؟ دلیل آن پدیده تازه کشف شده خود اثرناپذیری فلزهاست: افزودن مقدار ناچیزی از فلزهای نجیب از قبیل پالادیم، روتنیم و پلاتین به آلیاژهای تیتانیم، آهم، کروم یا سرب، مقاومت آنها را صدها، هزارها و حتی دهها هزار برابر افزایش میدهد.
پژوهشگران آزمایشگاه خوردگی در انستیتو شیمی فیزیک فرهنگستان علوم شوروی (سابق) اثر افزودن پالادیم بر فولاد کرومدار را بررسی کردند. فولاد کرومدار در برابر بسیاری از اسیدها به سرعت تخریب میشود. هنگامی که چنین آلیاژی در محلولی اسیدی فرو برده میشود، یونهای مثبت آن در محلول پخش میشود؛ در همین حال، یونهای هیدروژن آزاد شده از محلول به درون شبکه بلوری آلیاژ نفوذ میکنند و در آنجا، به سهولت با الکترونهای آزاد ترکیب میشوند. گاز هیدروژن تشکیل شده طی این فرایند، فلز را تخریب میکند. هنگامی که به این فولاد اندکی (کسری از درصد) پالادیم اضافه شود، و آن را در محلول اسیدی قرار دهند، چند ثانیه پس از آغاز خوردگی، این واکنش متوقف میشود. نتیجه این بررسی نشان داد که اسید با پالادیم وارد واکنش میشود و لایهای نازک از اکسید بر روی سطح قطعه تشکیل میدهد، و بعد گویی قطعه «لباسی» محافظ پوشیده است. فولادی که بدین صورت تقویت شده، عملا نفوذناپذیر است: میزان خوردگی چنین فولادی در اسید سولفوریک گرم وجودشان از چند دهم میلیمتر در سال بیشتر نیست (فولاد معمولی طی همین مدت به اندازه چند سانتیمتر خورده میشود).
پالادیم، خود از بسیاری عنصرهای دیگر تاثیر میپذیرد. مثلا افزودن برخی از فلزهای هم گروه آن، مثلا روتنیم (4 درصد)، و رودیم (1 درصد)، استحکام کششی پالادیم را تقریبا دو برابر میکند.
آلیاژهای پالادیم با سایر فلزها (به ویژه نقره) در دندانپزشکی مصرف میشوند (با این آلیاژ میتوان دندانهای مصنوعی عالی ساخت). مهمترین نقطههای اتصال در وسایل الکترونیکی، تلفنها و سایر تجهیزات با پالادیم پوششکاری میشوند. با استفاده از این فلز حدیدهها و تاوریسها (یا نخریسها) ی گوناگون ساخته میشود.
تاوریس کلاهگی است با روزنههای مختلف که برای تولید سیمهای بسیار نازک یا الیاف مصنوعی به کار میرود، و مادهای را که به همین منظور آماده شده است، با فشار از روزنههای آن عبور میدهند. از پالادیم در ترموکوپلها و بعضی از تجهیزات پزشکی نیز استفاده میشود.
اما جالبترین نکته درباره پالادیم، ویژگیهای شیمیایی بیهمتای آن است. پالادیم برخلاف سایر عنصرهای شناخته شده در علم شیمی، در مدار بیرونی خود 18 الکترون دارد. به عبارت دیگر لایه الکترونی آن کاملا پر است، و به همین سبب از لحاظ شیمیایی پایدار است. در شرایط عادی، اثر فلوئور قدرتمند بر آن، بیشتر از اثر نیش پشه بر فیل نیست. تنها به کمک دمای زیاد (500 درجه سلسیوس و بالاتر) است که فلوئور و دیگر اکسایندههای نیرومند میتوانند با پالادیم واکنش کنند.
پالادیوم میتواند مقدار قابل توجهی گاز، و به ویژه هیدروژن را جذب کند (یا آن گونه که فیزیکدانان و شیمیدانان گویند، برآشامد). در دمای محیط، هر سانتیمتر مکعب پالادیم میتواند در حدود 800 حجم هیدروژن را در خود جذب کند. البته چنین آزمایشی، بر فلز اثر میگذارد: فلز متورم میشود و ترک میخورد.
ویژگی دیگر پالادیم که آن هم به هیدروژن مربوط میشود، به همین اندازه اعجابآور است. مثلا اگر هیدروژن را با تلمبه به درون ظرفی از جنس پالادیوم بفرستیم و سپس ظرف را درزبندی و گرم کنیم، هیدروژن به همان سهولت که آب از غربال میگذرد، از جدار ظرف به بیرون نفوذ میکند. در دمای 240 درجه سلسیوس، از هر سانتیمتر معکب سطح جداری به ضخامت یک میلیمتر، 40 سانتیمتر مکعب هیدروژن عبور میکند. با افزایش دما، تراوایی فلز از این هم بیشتر میشود.
پالادیم نیز همچون دیگر فلزهای گروه پلاتین، کنشیار (کاتالیزور) بسیار خوبی است. این ویژگی، همراه با توانایی آن در عبور دادن هیدروژن، پدیدهای را که به تازگی گروهی از شیمیدانان مسکو کشف کردهاند، توجیه میکند. این پدیده شتاب دو جانبه دو واکنش در حضور یک کنشیار، در این مورد پالادیم، است. گویی واکنشها به یکدیگر کمک میکنند، اما مادههای شرکت کننده در آنها با هم مخلوط نمیشوند.
حال فرض کنید ظرفی در اختیار داریم که با غشایی از جنس پالادیم به دو اتاقک تقسیم شده است. یکی از این اتاقکها با بوتن و دیگری با بنزن پر شده است. پالادیم که حرص شدیدی برای جذب هیدروژن دارد، آن را از مولکولهای بوتن جدا میسازد، هیدروژن از غشای پالادیمی عبور میکند، وارد اتاقک دیگر میشود، به آسانی با مولکولهای بنزن ترکیب میگردد. بوتن که هیدروژن از دست داده است، به بوتادین (ماده اولیه برای تولید لاستیک مصنوعی) تبدیل میشود، در حالی که بنزن، که هیدروژن جذب کرده است، به سیکلوهگزان تبدیل میشود (از سیکلوهگزان برای ساختن کاپرون و نایلون استفاده میکنند). ترکیب بنزن با هیدروژن تولید گرما میکند. یعنی برای جلوگیری از توقف واکنش، باید پیوسته از آن گرما گرفت. اما بوتن هیدروژن خود را تنها با گرما مبادله میکند. چون هر دو واکنش «زیر یک سقف» انجام میشوند، گرمای ایجاد شده در اتاقک اول، در اتاقک دوم به مصرف میرسد. ترکیب موثر این فرایندهای شیمیایی و فیزیکی را مدیون خاصیت کنشیاری غشای پالادیم هستیم.
به کمک غشای پالادیم میتوان از نفت خام و گاز طبیعی، هیدروژن بسیار خالص به دست آورد که در تولید نیمه رساناها و نیز فلزات بسیار خالص مورد نیاز است.
در حال حاضر پالادیم چندان گرانبها نیست- بهای آن تنها بهای پلاتین است. این نکتهای مهم است و امکان مصرف این فلز را هر سال افزایش میدهد. یافتن کاربردهای جدید برای پالادیم را میتوان به کامپیوتر سپرد، به شرط آنکه اطلاعات لازم به کامپیوتر داده شود تا بتواند «درباره آن فکر کند».
امروزه دیگر کسی از شنیدن این که کامپیوترها شطرنج بازی میکنند، به کنترل فرایندهای تولید میپردازند، از زبانی به زبان دیگر ترجمه میکنند و محاسبات مربوط به پروازهای فضایی را انجام میدهند، شگفتزده نمیشود. پس چرا کامپیوتر نتواند آلیاژهایی جدید با خواص بیهمتا بیفزایند!
چندین سال پیش، پژوهشگران موسسه متالورژی بایکوف وابسته به فرهنگستان علوم شوروی (سابق) به این کار دست زدند. نخست الگوریتمهای مورد نیاز (زبان مشترکی که ماشین دستورها را از طریق آن دریافت میکند) تهیه شد. سپس دادههای مربوط به تقریبا 1500 آلیاژ، بر اساس اطلاعات مربوط به فلزهای سازنده آنها (مثلا ساختار اتمی، نقطه ذوب، نوع شبکه بلورین و غیره)، به حافظه کامپیوتر مینسک- 22 داده شد. این کامپیوتر وظیفه داشت براساس این دادهها پیشبینی کند که چه ترکیبهای جدیدی از فلزات میتوان ساخت، و مشخصههای هر ترکیب را شرح دهد تا براساس آن حوزه کاربرد ترکیب جدید تعیین شود.
حال تصور کنید انجام این کار در گذشته تا چه اندازه دشوار بود. پیش از این، چنین کاری «با دست» یعنی براساس آزمایشهای استاندارد انجام میشد. در این آزمایشها فلزی را انتخاب میکردند و مقداری از فلز دیگر را به آن میافزودند، و سرانجام نمونه را از لحاظ شیمیایی و فیزیکی بررسی میکردند. و اگر ترکیب احتمالی، به جای دو، سه، از چهار، یا پنج عنصر تشکیل میشد، آفریدن آلیاژی جدید از گذشتن از هفت خوان دشوارتر بود. این کار سالها و بلکه قرنها طول میکشید. تازه مقدار انبوه فلزهای مورد نیاز را، که بعضی از آنها کمیاب و گرانبها هستند، در نظر نمیگیریم. ممکن است بعضی از این فلزها، از قبیل انیم، ایندیم، یا پالادیم، به تعداد مورد نیاز برای این آزمایشها در طبیعت وجود نداشته باشند.
به علاوه، «خوراک فکری» کامپیوتر را ارقام، نمادها و فرمولها تشکیل میدهند، در حالی که از توان تولید بسیار بالایی برخوردار است و میتواند ظرف چند لحظه، انبوهی از اطلاعات علمی را بررسی کند.
در نتیجه پژوهشهایی کهٔ. م. ساویتسکی، عضو مکاتبهای فرهنگستان علوم شوروی (سابق) انجام داده است، پیشبینی و ساخت بعضی از آلیاژهای بیهمتا، به کمک کامپیوتر ممکن شد.
در میان نخستین آلیاژهای «کامپیوترزاده» میتوان به آلیاژهای پالادیم، به ویژه آلیاژ بنفش رنگ و فوقالعاده زیبای پالادیم با ایندیم اشاره کرد. اما رنگ، مهمترین ویژگی آلیاژهای جدید نیست. مهمترین ویژگی این آلیاژها کیفیت آنهاست. آلیاژی از پالادیم با تنگستن که به همین روش در موسسه متالورژی بایکوف ساخته شد، قابلیت اطمینان و عمر بسیاری از ابزارهای الکترونیکی را تا 20 برابر افزایش میدهد.
ساویتسکی مینویسد: «بدیهی است که از پیشبینی کامپیوتری در مورد آلیاژهایی که میتوان به سادگی با آمیختن چند فلز تولید کرد، استفاده نمیشود. اما هرگاه به ترکیبهای پیچیدهای نیاز باشد، و هدف تولید آلیاژهایی باشد که بتوانند در فشارهای بسیار زیاد و دماهای بسیار بالا کار کنند و در برابر میدانهای مغناطیسی و الکتریکی از خود مقاومت نشان دهند، کمک گرفتن از کامپیوتر اجتنابناپذیر است.» تاکنون نزدیک به 800 ترکیب ابررسانا و 1000 آلیاژ با ویژگیهای مغناطیسی خاص به وسیله کامپیوتر پیشبینی شده است. گذشته از آن، کامپیوترها «پیشنهاد» کردهاند که بر روی 5 هزار ترکیب از فلزهای خاکی کمیاب مطالعه شود؛ تنها این ترکیبها شناخته شدهاند. رهنمودهای ارزشمندی نیز درباره عنصرهای ماورای اورانیم داده شده است.
به گفته ساویتسکی: «امکانات ترکیب کردن ترکیبهای غیر آلی نامدود است. تا چند سال آینده، تعداد ترکیبهایی که به این روش میتوان به دست آورد به دهها برابر افزایش پیدا میکند. بدون تردید موادی با ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی نادر و کاملا نو، که برای اقتصاد و تکنولوژی مدرن حیاتیاند، به دست خواهد آمد.»
برای حسن ختام سرگذشت پالادیم، از دو مدال تاریخی ساخته شده از این فلز سخن میگوییم. نخستین مدال 5/1 قرن پیش، به افتخار ولاستون، توسط انجمن زمینشناسی لندن پایهگذاری شد. این مدال نخست از طلا ساخته میشد، اما پس از آنکه جانسون، فلزشناس انگلیسی توانست پالادیم خالص را از پورپزیت برزیلی استخراج کند، آن را از پالادیم ساختند. در سال 1943 مدال ولاستون به زمین شیمیدان و کانیشناس برجسته شوروی، آکادمیسین فرسمان اعطا شد. دومین مدال پالادیمی را که به پژوهشهای برجسته در الکتروشیمی و نظریه فرایندهای خوردگی اختصاص دارد انجمن الکتروشیمی امریکا پایهگذاری کرده است. در سال 1959 این مدال به الکتروشیمیدان برجسته شوروی، آکادمیسین ا. ن. فرومکین اعطا شد.