Palladium wurde im Jahr 1803 vom britischen Chemiker William Hyde Wollaston (1766-1828) entdeckt, der im selben Jahr auch Rhodium entdeckte. Wollaston arbeitete an der Reinigung und Analyse von Rohplatin, das aus Südamerika importiert wurde. Nach dem Auflösen des Erzes in Königswasser und dem Ausfällen von Platin behandelte er die verbleibende Lösung mit Quecksilbercyanid und erhielt einen Niederschlag, den er als neues Metall identifizierte.
Wollaston nannte dieses Element Palladium zu Ehren des Asteroiden Pallas, der im Vorjahr 1802 vom deutschen Astronomen Heinrich Wilhelm Olbers entdeckt worden war. Pallas selbst ist nach Pallas Athene, der griechischen Göttin der Weisheit und des Krieges, benannt. Diese astronomische Nomenklatur war zu dieser Zeit ein Trend, dem auch Cer (nach Ceres benannt) folgte.
Auf kluger und ungewöhnlicher Weise entschied sich Wollaston, seine Entdeckung nicht sofort in wissenschaftlichen Zeitschriften zu veröffentlichen. Stattdessen verkaufte er anonym kleine Mengen Palladium in einem Londoner Geschäft, was die wissenschaftliche Gemeinschaft in Staunen versetzte. Einige Chemiker, darunter der berühmte Richard Chenevix, behaupteten, Palladium sei lediglich eine Legierung aus Platin und Quecksilber und kein echtes Element. Wollaston enthüllte schließlich 1805 seine Urheberschaft der Entdeckung und bewies unwiderlegbar die elementare Natur von Palladium.
Palladium (Symbol Pd, Ordnungszahl 46) ist ein Übergangsmetall der Gruppe 10 des Periodensystems und gehört zur Gruppe der Platinmetalle. Sein Atom besitzt 46 Protonen, in der Regel 60 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{106}\mathrm{Pd}\)) und 46 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d¹⁰.
Palladium ist ein glänzendes, silbrig-weißes Metall, das leichteste und weichste der Platinmetalle. Es hat eine Dichte von 12,02 g/cm³, deutlich niedriger als die von Platin (21,45 g/cm³). Palladium kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur. Es ist duktil und formbar und kann zu sehr dünnen Folien gewalzt und zu Drähten gezogen werden.
Palladium schmilzt bei 1555 °C (1828 K) und siedet bei 2963 °C (3236 K). Es hat den niedrigsten Schmelzpunkt aller Platinmetalle, was seine Verarbeitung und Legierung erleichtert. Palladium besitzt auch eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit sowie einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Palladium ist seine außergewöhnliche Fähigkeit, Wasserstoff zu absorbieren. Bei Raumtemperatur kann Palladium bis zum 900-fachen seines eigenen Volumens an Wasserstoffgas absorbieren und bildet dabei Palladiumhydrid (PdHₓ, wobei x bis zu 0,7 erreichen kann). Diese einzigartige Eigenschaft macht Palladium zu einem essenziellen Material für die Speicherung, Reinigung und Katalyse von Wasserstoff.
Schmelzpunkt von Palladium: 1828 K (1555 °C).
Siedepunkt von Palladium: 3236 K (2963 °C).
Palladium kann bis zum 900-fachen seines Volumens an Wasserstoffgas absorbieren.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Palladium-102 — \(\,^{102}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 56 | 101,905609 u | ≈ 1,02 % | Stabil | Leichtestes und seltenstes stabiles Isotop von natürlichem Palladium. |
| Palladium-104 — \(\,^{104}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 58 | 103,904036 u | ≈ 11,14 % | Stabil | Zweit seltenstes stabiles Isotop von natürlichem Palladium. |
| Palladium-105 — \(\,^{105}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 59 | 104,905085 u | ≈ 22,33 % | Stabil | Dritthäufigstes stabiles Isotop von natürlichem Palladium. |
| Palladium-106 — \(\,^{106}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 60 | 105,903486 u | ≈ 27,33 % | Stabil | Häufigstes Isotop von Palladium, das mehr als ein Viertel des Gesamtvorkommens ausmacht. |
| Palladium-108 — \(\,^{108}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 62 | 107,903892 u | ≈ 26,46 % | Stabil | Zweithäufigstes Isotop, fast so häufig wie Pd-106. |
| Palladium-110 — \(\,^{110}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 64 | 109,905153 u | ≈ 11,72 % | Stabil | Schwerstes stabiles Isotop von natürlichem Palladium. |
| Palladium-107 — \(\,^{107}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 61 | 106,905133 u | Synthetisch | ≈ 6,5 × 10⁶ Jahre | Radioaktiv (β⁻). Spaltprodukt. Ausgestorbenes Isotop, das während der Entstehung des Sonnensystems vorhanden war. |
| Palladium-103 — \(\,^{103}\mathrm{Pd}\,\) | 46 | 57 | 102,906087 u | Synthetisch | ≈ 17,0 Tage | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Wird in der Brachytherapie zur Behandlung von Prostatakrebs verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Palladium hat 46 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰, oder vereinfacht: [Kr] 4d¹⁰. Diese Konfiguration ist einzigartig, da Palladium das einzige Element seiner Periode ist, das keine Elektronen in der 5s-Unterschale hat, da die 4d-Unterschale vollständig gefüllt ist. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18).
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Die vollständige 4d-Unterschale bildet die Valenzschale von Palladium.
Palladium hat 10 Valenzelektronen in seiner vollständigen 4d¹⁰-Unterschale. Trotz dieser d10-Konfiguration, die normalerweise mit geringer Reaktivität verbunden ist, ist Palladium chemisch aktiv, da die 4d-Elektronen leicht angeregt oder verloren gehen können. Palladium zeigt hauptsächlich die Oxidationsstufen +2 und +4, wobei der +2-Zustand bei weitem der häufigste und stabilste ist.
Die Oxidationsstufe +2 tritt in den meisten Palladiumverbindungen auf, insbesondere in Palladium(II)-chlorid (PdCl₂), Palladium(II)-oxid (PdO) und unzähligen Koordinationskomplexen. Die Oxidationsstufe +4 existiert in einigen Verbindungen wie Hexafluoropalladat(IV) (PdF₆²⁻). Die Oxidationsstufen 0, +1 und +3 existieren ebenfalls in einigen metallorganischen Komplexen.
Palladium ist bei Raumtemperatur relativ korrosionsbeständig und läuft unter normalen Bedingungen an der Luft nicht an. Es widersteht vielen verdünnten Säuren, löst sich aber langsam in konzentrierter Salpetersäure und schneller in Königswasser. Bei hohen Temperaturen oxidiert Palladium langsam zu Palladium(II)-oxid (PdO), einer schwarzen Verbindung, die sich oberhalb von 750 °C zersetzt.
Die außergewöhnlichste Eigenschaft von Palladium ist seine Wechselwirkung mit Wasserstoff. Palladium absorbiert Wasserstoffgas reversibel und bildet ein Pd-H-System, in dem die Wasserstoffatome die Zwischenräume des Kristallgitters besetzen. Bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck kann Palladium PdH₀,₆ bilden, und bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck kann die Zusammensetzung PdH₁ erreichen.
Diese Wasserstoffabsorption führt zu einer Ausdehnung des Kristallgitters (etwa 10% Volumenzunahme) und verändert die physikalischen Eigenschaften von Palladium deutlich: verringerte elektrische Leitfähigkeit, mechanische Versprödung und Farbänderung. Mit Wasserstoff beladenes Palladium kann durch Erhitzen oder unter Vakuum reinen Wasserstoff freisetzen, was für die Reinigung von Wasserstoff auf 99,9999% Reinheit genutzt wird.
Palladium ist das einzige Metall, das den selektiven Durchtritt von Wasserstoff durch eine Membran bei hoher Temperatur ermöglicht. Diese einzigartige Eigenschaft wird in Palladium-Membrantrennern genutzt, um ultrareinen Wasserstoff für die Halbleiterindustrie, Brennstoffzellen und die Elektronik herzustellen.
Palladium spielt eine zentrale Rolle in der modernen homogenen Katalyse. Im Jahr 2010 wurde der Nobelpreis für Chemie an Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki für die Entwicklung von palladiumkatalysierten Kreuzkupplungsreaktionen verliehen, die die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen mit außergewöhnlicher Präzision und Effizienz ermöglichen.
Palladiumkatalysierte Kreuzkupplungsreaktionen haben die organische Synthese revolutioniert. Die Suzuki-Miyaura-Reaktion koppelt Borsäuren mit organischen Halogeniden, die Heck-Reaktion koppelt Alkene mit aromatischen Halogeniden und die Negishi-Reaktion verwendet Organozinkverbindungen. Diese Umwandlungen sind heute unverzichtbare Standardwerkzeuge in der pharmazeutischen, agrochemischen und Materialchemie.
Palladiumkatalysatoren ermöglichen die Synthese komplexer Moleküle, die mit anderen Methoden nicht zugänglich sind. Mehr als 25% der heute vermarkteten Arzneimittel werden unter Verwendung mindestens eines palladiumkatalysierten Schritts hergestellt. OLED-Bildschirme, leitfähige Polymere und viele fortschrittliche Materialien hängen ebenfalls von diesen palladiumkatalysierten Reaktionen ab.
Palladium ist zum gefragtesten Platinmetall geworden und hat Platin seit 2016 überholt. Die Nachfrage nach Palladium in der Automobilindustrie ist nach dem Dieselgate-Skandal und der Verschärfung der Emissionsnormen explodiert, da der Wechsel von Dieselmotoren (die hauptsächlich Platin verwenden) zu Ottomotoren (die Palladium und Rhodium verwenden) stattfand.
Der Palladiumpreis hat einen spektakulären Anstieg erlebt: von etwa 200 US-Dollar pro Feinunze im Jahr 2002 auf 1000-1500 US-Dollar in den 2010er Jahren und dann auf über 3000 US-Dollar in den Jahren 2019-2020, wobei es erstmals den Goldpreis überstieg und zum teuersten Edelmetall wurde. Der Preis hat sich seit 2022-2024 bei etwa 1000-2000 US-Dollar pro Unze stabilisiert, bedingt durch erhöhte Recyclingquoten und teilweise Substitution durch Platin.
Das Palladiumangebot ist geografisch konzentriert: etwa 40% stammen aus Russland (Norilsk-Minen), 38% aus Südafrika (Bushveld-Komplex) und der Rest aus Kanada und den Vereinigten Staaten. Diese geografische Konzentration in Kombination mit geopolitischen Spannungen führt zu einer erheblichen Preisschwankung. Das Recycling von gebrauchten Autokatalysatoren liefert etwa 30% des jährlichen Angebots.
Palladium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternfusionen. Die sechs stabilen Isotope von Palladium spiegeln die Beiträge dieser verschiedenen Prozesse wider.
Die kosmische Häufigkeit von Palladium beträgt etwa 1,4×10⁻⁹ Mal die von Wasserstoff in der Atomzahl. Diese moderate Häufigkeit für ein Platinmetall erklärt sich durch seine günstige Position in der Kernstabilitätskurve.
Palladium-107, ein ausgestorbenes radioaktives Isotop (Halbwertszeit 6,5 Millionen Jahre), war während der Entstehung des Sonnensystems vorhanden. Sein Zerfallsprodukt, Silber-107, zeigt messbare Überschüsse in einigen primitiven Meteoriten. Das anfängliche ¹⁰⁷Pd/¹⁰⁸Pd-Verhältnis liefert Einschränkungen für die Zeit zwischen den letzten Nukleosynthese-Ereignissen und der Bildung der ersten Feststoffe im Sonnensystem, die auf einige Millionen Jahre geschätzt wird.
Isotopenvariationen von Palladium in Meteoriten liefern auch Informationen über die Heterogenität der primordialen Solarnebel und die relativen Beiträge der s- und r-Prozesse. Spektrallinien von Palladium sind in einigen an schweren Elementen angereicherten Sternen beobachtbar und ermöglichen die Verfolgung der galaktischen chemischen Anreicherung.
Hinweis:
Palladium ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,015 ppm vorhanden, etwa 100 Mal seltener als Silber, aber 5 Mal häufiger als Gold. Es bildet keine eigenen Erze, sondern ist immer mit anderen Platinmetallen assoziiert, hauptsächlich in Nickel-Kupfer-Lagerstätten und geschichteten ultramafischen Gesteinskomplexen.
Die weltweite Palladiumproduktion beträgt etwa 210 Tonnen pro Jahr. Russland ist der größte Produzent (etwa 40%), gefolgt von Südafrika (38%), Kanada und den Vereinigten Staaten. Etwa 90% des Palladiums werden als Nebenprodukt der Nickel- und Platinförderung gewonnen. Das Recycling von Autokatalysatoren liefert etwa 30% des Gesamtangebots, ein Anteil, der ständig steigt.
Palladium wird aus Platinmetallkonzentraten durch hydrometallurgische Verfahren gewonnen, die das Auflösen in Königswasser, die selektive Fällung von Ammonium-Palladiumchlorid ((NH₄)₂PdCl₆) und die anschließende Reduktion mit Hydrazin oder Ameisensäure umfassen. Reines Palladium (99,95%) wird nach elektrolytischer Raffination oder wiederholter Auflösung und Fällung erhalten.
