Rutenium

Rutenium (joskus myös ruteeni[4]) on harvinainen siirtymämetalleihin kuuluva alkuaine. Sen kemiallinen merkki on Ru (lat. ruthenium) ja järjestysluku 44. Se on jalometalli ja kuuluu platinametallien ryhmään. Rutenium on normaaleissa olosuhteissa hyvin stabiili, eikä reagoi happojen kanssa. Rutenium kuitenkin hapettuu helposti. Sen löysi venäläinen Karl Klaus, ja se sai nimensä muinaisen Venäjän alueen latinankielisestä nimestä Ruthenia.

Teknetium ← Rutenium → Rodium
Fe
↑
Ru
↓
Os  
 
 


Yleistä
NimiRutenium
TunnusRu
Järjestysluku44
LuokkaSiirtymämetalli
Lohkod
Ryhmä8, siirtymäalkuaine
Jakso5
Tiheys12,37[1] · 103 kg/m3
Kovuus6,5[2] (Mohsin asteikko)
VäriHopeisen vaalea
Löytövuosi, löytäjä1844, Karl Klaus
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)101,07[3]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)178[2] pm
Kovalenttisäde126[2] pm
Orbitaalirakenne[Kr] 4d7 5s1
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 15, 1
Hapetusluvut+III, +IV, +V, +VII
KiderakenneHeksagonaalinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuotokiinteä
Sulamispiste2 607 K (2 334[2] °C)
Kiehumispiste4 423 K (4 150[2] °C)
Moolitilavuus8,22[1] · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö567,8[1] kJ/mol
Sulamislämpö24[1] kJ/mol
Höyrynpaine1,4 Pa 2 523 K:ssa
Äänen nopeus5 970 m/s K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus2,2[1] (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti0,238 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus1.4×107 S/m
Lämmönjohtavuus117[1] W/(m·K)
CAS-numero7440-18-8
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa

Ominaisuuksia

Fysikaaliset ominaisuudet

Rutenium on kiiltävä, hopeanharmaa metalli. Puhdas rutenium ei ole kovin hyvin työstettävää verrattuna esimerkiksi rautaan. Ruteniumin kiderakenne on heksagonaalinen (hcp).[5] Ruteniumin sulamispiste on 2 334 °C ja kiehumispiste noin 4 150 °C. Sen sähkönjohtavuus on huonompi kuin kahdella muulla jakson metallilla[6].

Isotoopit

Ruteniumilla on useita pysyviä isotooppeja. Moolimassan määrityksen tarkkuutta on rajannut se, että tarkkoja mittauksia isotooppien suhteellisista osuuksista luonnossa ei ole pystytty tekemään.

IsotooppiPuoliintumisaikaHajoamistyyppi
Osuus1
90Ru11 sEC, β+
91Ru9 sEC, β+
91mRu7,6 sEC, β+
92Ru3,65 minEC, β+
93Ru59,7 sEC, β+
93mRu10,8 sEC, β+, IT
94Ru51,8 minEC, β+
95Ru1,643 hEC, β+
96Rustabiili5,526 %
97Ru2,9 dEC
98Rustabiili1,886 %
99Rustabiili12,71 %
100Rustabiili12,61 %
101Rustabiili17,01 %
102Rustabiili31,62 %
103Ru39,26 dβ-
  
IsotooppiPuoliintumisaikaHajoamistyyppi
Osuus1
103mRu1,69 msIT
104Rustabiili18,72 %
105Ru4,44 hβ-
106Ru373.59 dβ-
107Ru3,75 minβ-
108Ru4,55 minβ-
109Ru34,5 sβ-
110Ru14,6 sβ-
111Ru2,12 sβ-
112Ru1,75 sβ-
113Ru0,80 sβ-
114Ru0,53 sβ-
115Ru0,40 sβ-

1 = Osuus kaikesta luonnossa esiintyvästä ruteniumista.
Ilmoitetaan stabiileille ja erittäin pitkäikäisille isotoopeille.
Lähde:[7]

Kemialliset ominaisuudet ja yhdisteet
Ruteniumia

Rutenium on hyvin kestävä metalli, eikä se reagoi ilman kanssa. Se ei reagoi ei-hapettavien happojen kanssa, eikä esimerkiksi kuningasveden kanssa. Ruteniumia voidaan kuitenkin liuottaa suliin emäksiin ilman läsnä ollessa. Rutenium reagoi epämetallien kanssa vasta korkeissa lämpötiloissa – poikkeuksena hapettavat aineet, kuten Cl2 ja F2.[8] Ruteniumilla on useita hapetusasteita. Sen korkein hapetusaste on +VIII ja alhaisin -II. Yleisimmät hapetusasteet ovat +III ja +IV. Rutenium muodostaa kompleksiyhdisteitä koordinaatioluvuilla 4–10.[9]

Ruteniumin yleisimmät oksidit ovat rutenium(VIII)oksidi eli ruteniumtetraoksidi (RuO4) ja rutenium(IV)oksidi eli ruteniumdioksidi (RuO2). RuO2 on kiinteää ja väriltään joko sinistä tai mustaa, ja se syntyy tuhannen asteen lämpötilassa. RuO4 on taas hyvin haihtuvaa ja keltaista. RuO4 ei ole stabiili ja kuumennettaessa se räjähdysmäisesti pelkistyy ruteniumdioksidiksi. RuO4:a voidaan valmistaa hapettamalla joko KIO4:n, KMnO4:n tai Cl2:n avulla. Rutenium muodostaa sulfidin, telluridin ja selenidin vain hapetusasteella +IV. Halideja rutenium muodostaa hapetusasteilla +II–+VI, korkeimmilla hapetusasteilla vain fluorin kanssa. Ruteniumilta tunnetaan muutamia organometalliyhdisteitä.[10] Ruteniumin klooriyhdisteitä ovat esimerkiksi rutenium(III)kloridi eli ruteniumtrikloridi (RuCl3) ja rutenium(IV)kloridi eli ruteniumtetrakloridi (RuCl4).

Ruteniumille on tehty korkeimmilla hapetusasteilla vain muutamia komplekseja, joista monet ovat epästabiileja. Suurin osa ruteniumin tunnetuista komplekseista on hapetusluvulla +IV tai +III. Hapetusasteella +IV se muodostaa [RuX6]2- komplekseja (X = F, Cl tai Br), jotka ovat oktaedrisiä, mutta helposti pelkistyvät Ru(+III)-komplekseiksi. Ru(+IV)-komplekseilla on kaksi paritonta elektronia, joten niillä on magneettisia ominaisuuksia. Myös Ru3--kompleksit ovat oktaedrisiä. Tällä hapetusasteella rutenium muodostaa useita halidi- ja syanokomplekseja. Pienemmillä hapetusasteilla rutenium muodostaa joitakin komplekseja, mutta nämä ovat helposti hapetettavissa korkeamman hapetusasteen komplekseiksi. On kuitenkin huomioitavaa, että tällä hapetusasteellaselvennä rutenium voi muodostaa pysyviä komplekseja, jotka pystyvät absorboimaan näkyvää valoa.[11]

Ruteniumilla ei ole biologista merkitystä, mutta saattaa olla karsinogeeninen, tahraa ihoa ja kertyy luihin. RuO4 on hyvin myrkyllistä.[1]

Historia

Puolalainen kemisti Jędrzej Śniadecki väitti löytäneensä 44. alkuaineen vuonna 1808 eteläamerikkalaisesta platinamalmista. Hän nimesi löytämänsä alkuaineen vestiumiksi asteroidi Vestan mukaan. Hän julkaisi tulokset, mutta muut kemistit eivät pystyneet toistamaan Śniadeckin tuloksia, jolloin hän ilmoitti vetävänsä pois alkuaineen löytämisensä. Hän ei tutkinut vestiumia enempää.[12]

1820-luvulla Uralilta löytyi platinamalmiesiintymä, josta sitä tutkiva Jöns Jacob Berzelius löysi vain platinaa. Tarton yliopiston professori Gottfried Wilhelm Osann väitti löytäneensä esiintymästä kolme uutta alkuainetta, jotka hän nimesi poluraniumiksi, ruteniumiksi ja poliniumiksi. Kazanin yliopiston kemian ja farmasian professori Karl Klaus löysi sakasta, joka jää kun platinamineraalia liuottaa kuningasveteen, rodiumia, palladiumia, osmiumia ja iridiumia. Klaus löysi ruteniumin vasta rahapajan jäännöksistä. Näin hän oli osoittanut Osannin löytämät poluraniumin ja poliniumin virheellisiksi. Klaus osoitti, että Osannin löytämä rutenium sisälsi vain pienen määrän puhdasta ruteniumia. Hän julkaisi tutkimustuloksensa 1844. Klaus antoi valmistamalleen puhtaalle metallille nimen ruthenium. Alkuaineen nimi juontaa latinan kielen sanasta Ruthenia, joka tarkoittaa Venäjää. Ruthenium oli viimeinen platinaryhmän metalli, joka löydettiin.[13]

Esiintyminen ja valmistus

Rutenium esiintyy tyypillisesti muiden platinametallien kanssa samassa malmissa. Merkittävimmät esiintymisalueet ovat Etelä-Afrikka, Ontarion provinssi Kanadassa ja Uraljoki Venäjällä. Ontariosta löydetty rutenium on pentlandiitissa ja Etelä-Afrikassa löydetty pyroxeniitissa. Ruteniumin pitoisuus maankuoressa on arvioiden mukaan 0,0001 ppm.[1][14]

Rutenium eristetään kuparin ja nikkelin rikastuksessa syntyvästä sivutuotteesta tai sulfidimalmien sulatuksen sivutuotteista. Tavallisesti rutenium eristetään tislaamalla se liuotuksen jälkeen. Liuotus tehdään tyypillisesti suolahappoon, johon on lisätty klooria. Tällöin syntyy RuO4, joka tislataan. Tisle johdetaan joko natriumhydroksidin alkoholiliuokseen tai suolahapon vesiliuokseen, jolloin syntyy ammoniumruteniumkloridia (NH4)3RuCl6. Tästä rutenium voidaan pelkistää vetykaasulla. Rutenium voidaan myös eristää ydinjätteestä, jolloin saadaan myös ruteniumin radioaktiivisia isotooppeja.[1][15]

Käyttö

Suurin osa tuotetusta ruteniumista käytetään lejeeringeissä. Ruteniumin lisäys tekee lejeeringeistä kovia ja korroosionkestäviä: jo 0,1 % lisäys titaaniin tekee siitä yli sata kertaa korroosionkestävämpää. Ruteniumia yleensä lisätään joko palladiumiin, platinaan tai titaaniin. Ruteniumin lejeerinkejä käytetään hyvin korkeita tai matalia lämpötiloja mittaavissa instrumenteissa, elektroniikassa ja lääketieteellisissä instrumenteissa.[12]

Ruteniumia voidaan käyttää myös katalyyttinä. Merkittävä kohde on aurinkokennot, sillä osa ruteniumin komplekseista absorboi hyvin näkyvää valoa. Toinen merkittävä kohde on rikkivedyn hajottaminen kadmiumsulfidin ja ruteniumdioksidin seoksen katalysoidessa reaktiota. Ruteniumin organometalliyhdisteitä käytetään alkeenien metateesin katalyyttinä.[1][12] Ruteenia voidaan käyttää vedytys- ja muissa pelkistysreaktioissa joko yksinään tai platinan kanssa. Sen oksidit sen sijaan toimivat alkoholien ja alkeenien hapetuskatalyytteinä.[16][17]

Yksi ruteniumin merkittävistä käyttökohteista on elektroniikka, ja sitä käytetään vastuksissa. Erään rutenium-molybdeeni-seoksen on havaittu olevan suprajohtava 10,6 Kelvinin lämpötilassa.[1][18] Lisäksi ruteniumia voidaan käyttää koruissa.[12]

Rutenium-106 on käytetty lääketieteellisissä sovelluksissa. 106Ru hajotessaan vapauttaa beetasäteilyä, jota voidaan käyttää syöpähoidoissa. 106Ru on käytetty erityisesti silmäsyöpien hoidossa. Ruteniumin organometallikomplekseja on tutkittu syöpälääkkeenä.[1][12]

Lähteet
  • N. N. Greenwood & A. Earnshaw: Chemistry of the Elements. 2. painos. Oxford: Elsevier Ltd, 1997. ISBN 978-0-7506-3365-9. (englanniksi)
  • S. Engles & A. Nowak (suom. J. Koskikallio): Kemian keksintöjä, s. 208–209. Jyväskylä: Gummerus Kirjapaino Oy, 1993. ISBN 952-903976-X.

Viitteet
  1. Ruthenium 3rd1000.com. Viitattu 27.3.2014. (englanniksi)
  2. Technical data for the element Ruthenium periodictable.com. Viitattu 27.3.2014. (englanniksi)
  3. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
  4. Johanna Mannila: Rutenium oli ennen ruteeni 26.9.2006. Helsingin Sanomat. Arkistoitu . Viitattu 27.3.2014.
  5. Greenwood & Earnshaw s. 1074–1075
  6. Greenwood & Earnshaw s. 1074
  7. Isotopes of Ruthenium (Z=44) The Isotopes Project Home Page. Arkistoitu 22.6.2008. Viitattu 21.3.2014. (englanniksi)
  8. Greenwood & Earnshaw s. 1076
  9. Greenwood & Earnshaw s. 1078
  10. Greenwood & Earnshaw s. 1079–1083, 1104
  11. Greenwood & Earnshaw s. 1085–1096
  12. Ruthenium, Chemical Element Chemistry Explained. Viitattu 23.3.2014. (englanniksi)
  13. Engel & Novak
  14. Greenwood & Earnshaw s. 1071
  15. Greenwood & Earnshaw s. 1071–72
  16. Richard J. Seymour & Julia I. O'Farrelly :Platinum-Group Metals, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2012. Viitattu 27.3.2014
  17. Hermann Renner, Günther Schlamp, Ingo Kleinwächter, Ernst Drost, Hans Martin Lüschow, Peter Tews, Peter Panster, Manfred Diehl, Jutta Lang, Thomas Kreuzer, Alfons Knödler, Karl Anton Starz, Klaus Dermann, Josef Rothaut, Ralf Drieselmann, Catrin Peter & Rainer Schiele: Platinum Group Metals and Compounds, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2001. Viitattu 27.3.2014
  18. Ruthenium-Based Thick Film Resistors (pdf) Delphi. Arkistoitu 27.3.2014. Viitattu 27.3.2014. (englanniksi)

    Aiheesta muualla
    This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.