Ruthenium: Het element

De Duitse wetenschapper Karl Ernst Claus ontdekt het element in 1844 en noemt het naar Ruthenia, Latijn voor Rus '. Ruthenium komt meestal voor als een bescheiden deel van platina ertsen. De jaarlijkse productie is ongeveer 20 ton. Ruthenium is een hard wit metaal. Meeste ruthenium wordt gebruikt voor slijtvaste elektrische contacten en de productie van dikke-film weerstanden. Een kleinere hoeveelheid wordt gebruikt in platina legeringen. Kosten, puur: $ 1400 per 100g

Plaats van ruthenium in het periodiek systeem

Ruthenium is een chemisch element met symbool Ru en atoomnummer 44. Het is zeldzaam overgangsmetaal Ruthenium vormt, samen met de elementen rhodium, palladium, osmium, iridium en platina de zogenaamde platinagroep metalen (PGM)
Als andere metalen van de platinagroep, is ruthenium inert voor de meeste chemicaliën. Het verkleurd niet bij kamertemperatuur, maar bij 800° C oxideert het in lucht. Het metaal wordt niet aangetast door hete of koude zuren of aqua regia, maar als kaliumchloraat wordt toegevoegd aan de oplossing, oxideert het explosief. Het lost op in gesmolten alkalimetalen. (Ruthenium is bestand tegen geconcentreerde zuren, maar lost op in huishoudelijke bleekmiddel).
Typische overgangsmetalen kan ruthenium er in vele oxidatietoestanden, de meest voorkomende zijn de oxidatietoestanden II, III en IV.

Algemene eigenschappen van ruthenium

Chemische eigenschappen van ruthenium

Fysische eigenschappen van ruthenium

Isotopen van ruthenium

• Natuurlijk voorkomende ruthenium is een mengsel van isotopen zeven en zij worden in het getoonde percentages: 96Ru (5.5%), 98Ru (1.9%), 99Ru (12.8%), 100Ru (12.6%), 101Ru (17.1%), 102Ru (31,6%), and104Ru (18,6%). Natuurlijk, de meest voorkomende isotoop 102Ru met een overvloed van 31,6%.
• Natuurlijk voorkomende ruthenium bestaat uit zeven stabiele isotopen. Daarnaast zijn 34 radioactieve isotopen. de meest stabiele zijn 106Ru met een halfwaardetijd van 373,59 dagen 103Ru met een halfwaardetijd van 39,26 dagen 97Ru met een halfwaardetijd van 2,9 dagen.
• Vijftien andere radio-isotopen zijn gekarakteriseerd met atomaire gewichts reeks vanaf (90Ru) tot 115Ru). De meeste hebben halfwaardetijden minder dan vijf minuten, behalve 95Ru (halfwaardetijd: 1.643 uur) en 105Ru (halfwaardetijd: 4.44 uur).
• De primaire verval modus voor het meest voorkomende isotoop, 102Ru, is electron capture en de primaire modus erna is de bèta-emissie. De primary decay product er voor 102Ru is technetium en de primaire verval product erna is rhodium.

De stabielste isotopen van ruthenium

Kenmerkende eigenschappen van ruthenium

Ruthenium heeft een anomalie in zijn buitenste elektronsfeer: terwijl alle andere groep 8 elementen hebben 2 elektronen in de buitenste schil, is bij ruthenium, een van de elektronen verhuisd naar de lagere schaal.
Ruthenium wordt niet aangetast, behalve bij hoge temperaturen. Ruthenium lost op in gesmolten alkalimetalen , wordt niet aangetast door zuren, wel bij hoge temperaturen door halogenen.
Er is een ruthenium-molybdeen legering dat supergeleidend is bij temperaturen beneden 10,6 K. De kristalstructuur van ruthenium is geschikt om als mal te dienen voor de vorming van grafeen lagen, een materiaal met toekomst.

Het voorkomen van ruthenium

Ruthenium is uiterst zeldzaam. wordt meestal aangetroffen in ertsen samen met andere platina groep metalen in de Oeral en in Noord-en Zuid-Amerika. Kleine, maar commercieel belangrijke hoeveelheden worden gevonden in pentlandite in Canada, (sulfide van ijzer en nikkel waarin kleine hoeveelheid ruthenium) en pyroxeniet in Zuid-Afrika. De natuurlijke aanwezigheid in de aardkorst is 1 deel per miljard (ppm) en in het zonnestelsel 5 delen per miljard (ppm) .
De wereldproductie is 12 ton per jaar, reserves bedragen circa 5.000 ton. De samenstelling van de platinagroep metaal (PGM) mengsel varieert afhankelijk van de geochemische formatie.
Ruthenium, als andere platinagroep metalen, wordt commercieel gewonnen vooral als bijproduct van nikkel en koper winning en door het verwerken van platinagroep ertsen. Tijdens elektrolytische van koper en nikkel, zakken edele metalen als zilver, goud en de platinagroep naar de bodem als anode modder, de smurrie voor de verdere winning.

Chemische verbindingen van ruthenium

De eigenschappen van ruthenium en osmium verbindingen zijn vaak vergelijkbaar. De +2, +3 en +4 toestanden komen het meest voor. De meest voorkomende verbindingen die als uitgangsstof voor ruthenium dient zijn: ruthenium trichloride, (een rode vaste stof) en ruthenium oxiden.
Ruthenium kan worden geoxideerd tot ruthenium (IV) oxide (RuO2, oxidatietoestand +4) die op hun beurt kunnen worden geoxideerd door natriummetaperjodaat tot rutheniumtetroxide, RuO4 een sterk oxidatiemiddel met de structuur en eigenschappen analoog aan osmiumtetroxide. Osmiumtetroxide, rutheniumtetroxide zijn fixatief en gebruikt bij de kleuring voor elektronenmicroscopie van organische materialen.

Toepassingen van ruthenium

• Ruthenium wordt toegevoegd aan platina en palladium wegens het ruthenium vermogen deze metalen te harden, de platina palladium gelegeerd met ruthenium wordt toegepast in slijtvaste elektrische contacten. Er wordt een dunne zeer slijtvaste film gelegd met behulp van galvaniseren of sputteren.Rutheniumdioxide en lood- en bismut ruthenates worden worden toegepast in 'dikke- film chip' weerstanden. Deze voorgaande twee elektronische toepassingen vertegenwoordigen 50% van het ruthenium verbruik.
• Ruthenium wordt meestal gebruikt in kleine hoeveelheden in legeringen om sommige eigenschappen te verbeteren. Het gunstige effect op de corrosievastheid van titaniumlegeringen heeft geleid tot ontwikkeling van een titaniumlegering met 0,1% ruthenium. die een corrosieweerstand heeft honderd maal groter als van puur titaan.
• Ruthenium wordt gebruikt in sommige moderne hoge temperatuur superlegeringen, toegepast voor o.a. turbinebladen in straalmotoren. Verscheidene op nikkel gebaseerde superlegeringen, waaronder : EPM-102 (met 3% Ru) en TMS-162 (met 6% Ru).
• Na de oorlog werd de bekende Parker 51 vulpen voorzien van de "RU" penpunt, een gouden penpunt met een 96,2% ruthenium en 3,8% iridium laag.
• Ruthenium is een component van gemengde metaaloxide (MMO) anoden voor kathodische bescherming van ondergrondse en ondergedompelde structuren, en elektrolytische cellen voor chemische processen zoals het genereren van chloor uit zout water.
• De isotoop 106Ru wordt gebruikt in de radiologie bij het kankeronderzoek.
• Rutheniumtetroxide wordt gebruikt om vingerafdrukken te ontrafelen wanneer ze verontreinigd zijn door bijvoorbeeld contact met met oliën of vetten.
• Ruthenium is een veelzijdig katalysator, toegepast bij verwijderen van H2S in olieraffinaderijen en andere industriële processen. Organometallic ruthenium carbeen en alkylideen complexen worden gebruikt voor de productie van ammoniak uit aardgas en de productie van azijnzuur uit methanol.
• De vraag naar ruthenium stijgt de metalen vinden toepassing in de elektronische industrie (50%) en de chemische industrie (40%), in kleinere hoeveelheden gebruikt in legeren. In de elektronica vroeger vooral gebruikt voor elektrische contacten, meeste nu gaat in chip weerstanden.
• In de chemische industrie wordt gebruikt in de anoden voor chloorproductie in elektrochemische cellen.
• Ruthenium wordt verder gebruikt in sieraden, in draaipunten van instrumenten,. in legeringen met kobalt, molybdeen, nikkel, wolfraam en andere metalen. Ruthenium verbindingen worden gebruikt om keramiek en glas te kleuren.

Zonne-energie conversie

Sommige rutheniumcomplexen licht absorberen in het hele zichtbare spectrum en worden actief onderzocht met het oog op potentiele zonne-energie technologieën. Bijvoorbeeld zijn ruthenium gebaseerde verbindingen gebruikt voor lichtabsorptie in kleurstof zonnecellen, een veelbelovende goedkope zonnecel systeem.

Gegevensopslag

Chemische dampafzetting van ruthenium wordt gebruikt als een methode om dunne films van zuiver ruthenium op substraten te leggen. Deze films tonen veelbelovende eigenschappen voor het gebruik in de microchips en voor de magnetoresistieve gelezen element voor harde schijven. Een nano-laag van ruthenium stabiliseert magnetische sensoren.

Invloed van ruthenium op milieu en volksgezondheid

Ruthenium verbindingen zijn giftig en kankerverwekkend. Verbindingen met ruthenium deeltjes kunnen de huid (vlekken) aantasten. Ingenomen ruthenium wordt lang vastgehouden in botten. Ruthenium oxide, RuO4, is toxisch en vluchtig.
Rhutenium 106 is vrijgekomen bij atmosferische testen van kernwapens, die begonnen in 1945, en eindigden in 1980. Het is een van de langlevende radionucliden en de verhoogde risico op kanker kan vele decennia aanhouden.
Heel weinig gegevens zijn beschikbaar over de invloed van ruthenium op planten; schattingen van concentraties geven circa 5 ppb of minder aan, algen lijken meer ruthenium op te nemen. Er zijn nog geen negatieve gevolgen van ruthenium voor het milieu gemeld.