鈀氏家族成功的秘密

衛一雯，匡勤，朱亞先

廈門大學化學化工學院，福建 廈門361005

說到鈀氏集團，相信讀者們一定會聯想到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制造了一代方舟反應堆，反應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在現實中暫時還無法實現[1]，但是鈀氏集團產業涉及范圍之廣，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下，揭開這個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的第四周期、第VIII族，屬于d區元素[2]。我們鈀家族的英文名稱為Palladium，這個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、人才濟濟。”

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

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，我們便締結了一個聯盟，叫作‘鉑系元素’[2]。”

剛跟老爺子走進老宅大門，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：“這是人類化學家，我們家族的伯樂——威廉姆·海德·沃拉斯頓。鈀最早的時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，他將這個化合物加熱提純過后得到了金屬鈀[3]。從那時起，我們才真正登上了歷史舞臺。雕像立在這里，除了讓后世子孫時刻緬懷這位恩人外，也是告誡他們再困難的時候都要堅持本心，是金子總會發光的！”

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

鈀老爺子說，這八個字便是鈀氏家族奉為圭臬的家訓。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。”

看著記者不敢相信的表情，老爺子補充道，“哈哈！當然，這只是傳說，其實真正的原因是鈀金表面氧化生成了淡黃色的氧化膜。”

記者隨即又問道：“那這‘海納百川，內介外和’又是怎么個說法呢？”

老爺子扶了扶眼鏡，說道：“年輕人，莫急哦，這需要慢慢體會。首先，我們鈀呀，不但熔點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。

“還記得當年，元素界舉辦了一個金屬大賽。當時幾乎所有的金屬都參加了比賽，大家各展風采，真可謂一場盛世呀！”。

老爺子陷入回憶，向記者講述道：“第一輪是淘汰賽，我們面臨的考驗是不起眼的[H2O+O2]。這兩個物質在自然界隨處可見，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被氧化腐蝕，變得松軟易碎。而我們鈀因為升華熱高而且容易鈍化[2]，得以在潮濕空氣中穩定存在。靠著這個，鈀成功晉級。”

“這第二輪的考驗想必更加嚴苛吧？”記者問道。

“是的，第二輪是‘高溫’這個殺手锏。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，不是被融化就是發生化學反應。然而，鈀金直到在600-800 °C時才會被氧化。更讓人嘆為觀止的是，我們還會復原術，PdO到了800 °C以上又會分解成單質Pd和O2，恢復金屬光澤[4]。因為這個性質，我們再次成功晉級。”

“第三輪比賽更加有趣，大賽組委會沒有規定具體的比賽內容。而是讓晉級的金屬展現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。

“那必然是別的金屬沒有的特質，是鈀金的吸H2能力嗎？”

老爺子點點頭，說：“看來你沒少做功課呀！沒錯，正如我們的家訓‘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可達自身體積的700多倍[2]，雖說吸收H2后我們會變脆易碎，但是把鈀金加熱到40-50 °C，吸收的H2又可以大幅度釋放。這個本事當時可是讓評委眼前一亮，為我們加分不少。”

“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，評委們大開眼界的同時卻也犯了難：不同的本領本無高下之分，這最厲害的金屬人選著實難以抉擇。不得已，他們舉辦了加時賽。”

“這次比得怕是耐酸性吧？”記者大膽猜測。

“沒錯。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，我們卻會化為一灘血水[2]。因為這個弱點，我們最終和冠軍失之交臂。”

“可真是可惜啊！”記者禁不住嘆息。

“哈哈，不要計較一時的得失嘛！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，但是這場比賽讓我們意識到，鈀金雖然堅韌但也有弱點。我們急需新的方針，來應對未來可能遇到的危機。”老先生緩緩起身，對記者說：“你且隨我來。”

“當年比賽結束后，我們便把主要的精力投入到尋找鈀的軟肋上。后來我們發現，在高溫下，鈀單質會變得更加活潑。比如在約500 °C時，堿金屬的氧化物和過氧化物會迅速侵蝕我們[5]。Cl2和P等非金屬在高溫下也十分容易與我們反應[2]。”

“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現的嗎？”

“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氣體存在下會出現黑色的金屬沉淀[5]。”

3 合作共贏，進軍催化

跟隨著鈀老先生，記者走進了一座頗有底蘊的建筑，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，就沒有鈀氏的今天啊！比如這氯元素，氯氣與鈀反應生成的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？”鈀老爺子又考驗起記者了。

“略有了解。”在專家面前，作者可不敢造次。

“我只知道，鈀催化劑在如今的各行各業都大放異彩，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。汽車尾氣中有大量有害氣體，如CO、HC (碳氫化合物)和NOx。為了減少這些氣體的排放，我們需要在把它們進一步氧化成無害的H2O、CO2和N2之后再排入大氣。整個過程看似簡單，然而反應條件實則特別苛刻，這就需要我們催化劑的幫助。”

鈀老先生隨即拿出一個汽車三元催化器(圖1)：“你看，裝置里面這些蜂窩狀的結構主要是由Al2O3和CeO2構成的，CeO2的加入可以提高催化劑的熱穩定性和催化活性，延長使用時間，還可以降低鈀的用量，節約生產成本[6]。”

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構，這些小孔就是我們設計最為巧妙的地方。”鈀老爺子扶了扶鏡框，補充道：“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鍵發生斷裂，與此同時，鈀基催化劑促進CO與O原子結合生成CO2，HC與O原子反應生成CO2和H2O，兩個N原子重新結合成N2[6]。”

“好一個一箭三雕！”記者不禁感嘆。

“雖然整個鉑族金屬聯盟的六大集團都有能力成為催化劑的供應商，但是鈀氏集團因為供給量更為充足、價格便宜兩大優勢占有了更大的市場份額[7]。”鈀老爺子補充道。

4 碳碳相連，紅線來牽

參觀完祠堂，鈀老爺子邀請記者來到他的書房，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。”

“這樣可太適合做中間人了！”記者回應道。

“你說對了。我們鈀可是有機合成界有名的催化劑！當年，就是老夫解決了‘碳碳難連’這個問題，成了有機合成界的著名‘月老’。”老爺子撫了撫胡須，說：“這‘C-C’鍵可是化學界難搞的一對歡喜冤家，兩個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，當時可是讓人頭疼不已。比如你看這個，”鈀老爺子指著一個雙鍵碳，碳上面連了一個鹵素，說：“這個碳是sp2雜化，因為鹵素是吸電子基團，所以讓這個碳給出電子是不可能了。加上雙鍵的阻擋，其他給電子基團難以進攻。”

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

“是啊，當年，我可是想破了腦袋，才給她覓得良人的。”老爺子整了整領帶，開始給記者娓娓道來，“首先，我給她找了個容易給電子的對象——格氏試劑。他的端基碳因為和鎂連接變得容易給出電子。”

“可是再容易給出也融化不了這個雙鍵碳的心啊！”記者擔憂地說道。

“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，這對佳人在我的撮合下終于看到了對方的好。牽完紅線，老夫也不做‘電燈泡’，收起紅線默默離開，再去造福下一對有情人。”

圖2 鈀催化的碳碳偶聯反應及機理[8]

在記者贊嘆著方法的巧妙時，鈀老爺子又拿出一個“P(Ph)3(三苯基磷)”的背簍，說：“這可是我的終極武器哦！如果兩個新人頑固不化，老夫就背著這個簍子去。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，這位叱咤商場多年的常勝將軍竟也是一個頗為執著的紅娘呢！不過說實話，這個“紅線”牽得真是造福人類，不僅可以把難以連接的基團連接起來，還能保證化合物的構型，如今的制藥領域可真是缺不了他！

5 抓住機遇，迎接挑戰

臨別之際，記者問及鈀氏集團未來的規劃。

剛剛樂呵呵的鈀老先生不禁皺起眉頭：“現在最讓我放不下的就是這個原料問題啊。我們鈀氏子弟雖然人才濟濟，但是儲量太少了，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——”

老爺子長嘆了一口氣，“我現在拜托科學家，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劃，從已經廢舊的催化轉化器中提取鈀，來實現鈀的再利用。希望在我有生之年，可以看到更多的鈀氏子弟吧。”

“一定會的。”記者最后告別時說，“您為世界貢獻如此之多，科學界一定會盡自己的力量，讓鈀氏家族的生命之火生生不息的。”

“海納百川，內介外和”，看到這里，記者才體會到了這八個字的含義。或許，這八字家訓便是鈀氏集團成功的秘訣吧，你覺得呢？