Ruthenium

Eigenschaften
[Kr] 4d75s1 44 Ru Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Ruthenium, Ru, 44
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	8, 5, d
Aussehen	silbrig weiß metallisch
Massenanteil an der Erdhülle	%
Atomar
Atommasse	101,07 u
Atomradius (berechnet)	130 (178) pm
Kovalenter Radius	126 pm
Van-der-Waals-Radius	- pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 4d75s1
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 15, 1
1. Ionisierungsenergie	710,2 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1620 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	2747 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	12,37 g/cm3
Mohshärte	6,5
Magnetismus
Schmelzpunkt	2607 K (2334 °C)
Siedepunkt	4423 K (4150 °C)
Molares Volumen	8,17 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	595 kJ/mol
Schmelzwärme	24 kJ/mol
Dampfdruck	1,4 Pa bei 2523 K
Schallgeschwindigkeit	5970 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	238 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	13,7 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit	117 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	2, 3, 4, 6, 8
Oxide (Basizität)	(leicht sauer)
Normalpotential
Elektronegativität	2,2 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP 94Ru {syn.} 51,8 min ε 1,593 94Te 95Ru {syn.} 1,643 h ε 2,572 95Te 96Ru 5,52 % Stabil 97Ru {syn.} 2,9 d ε 1,115 97Te 98Ru 1,88 % Stabil 99Ru 12,7 % Stabil 100Ru 12,6 % Stabil 101Ru 17,0 % Stabil 102Ru 31,6 % Stabil 103Ru {syn.} 39,26 d β− 0,763 103Rh 104Ru 18,7 % Stabil 105Ru {syn.} 4,44 h β− 1,917 105Rh 106Ru {syn.} 373,59 d β− 0,039 106Rh
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 99Ru -3/2 9,068 · 106 0,000195 6,78 101Ru -5/2 1,322 · 107 0,00141 9,88
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
F Leichtent- zündlich
R- und S-Sätze	R: 11
	S: 16-22-24/25
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Ruthenium (von lat. ruthenia: „Russland“, das Heimatland des Entdeckers) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Ru und der Ordnungszahl 44.

Es handelt sich um ein seltenes Übergangsmetall der Platinmetalle.

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Geschichte

Ruthenium (von Ruthenia, lateinisch für Russland) wurde 1844 von Karl Ernst Claus entdeckt und isoliert. Er zeigte, dass der in Königswasser unlösliche Rückstand von Rohplatin eine Verbindung eines neuen Elementes enthielt.

Jöns Jakob Berzelius und Gottfried Osann entdeckten Ruthenium schon 1827. Auch sie lösten Rohplatin in Königswasser und untersuchten den unlöslichen Rückstand. Während Berzelius kein ungewöhnliches Metall fand, war Osann überzeugt, gleich drei neue Metalle gefunden zu haben. Einem gab er den Namen Ruthenium.

Ebenso könnte der polnische Chemiker Jedrzej Sniadecki das Element 44, das er Vestium nannte, 1807 aus Platinerz gewonnen haben. Seine Arbeiten wurden aber nie bestätigt. Später zog er seinen Anspruch auf Entdeckung eines neuen Elementes zurück.

Vorkommen

Normalerweise kommt Ruthenium in Platinerzen aus dem Ural sowie Nord- und Südamerika verschwistert mit anderen Elementen der Platingruppe vor. Kleine, aber kommerziell interessante Vorkommen gibt es auch in Sudbury, Ontario (Pentlandit) und in südafrikanischen Pyroxinitlagerstätten.

Metallisches Rutheniumpulver wird in einem komplexen Prozess durch Reduktion von Ammonium-Ruthenium-Chlorid durch Wasserstoff hergestellt. Die Verdichtung zum kompakten Metall erfolgt durch pulvermetallurgische Verfahren oder durch Lichtbogenverschweißung unter Argon als Schutzgas.

Ruthenium könnte auch aus abgebrannten Brennelementen gewonnen werden, in dem es mit einen Anteil von einigen Prozent enthalten ist. Da das so gewonnene Ruthenium radioaktive Isotope mit Halbwertszeiten von bis zu einem Jahr besitzt, müsste das so gewonnene Ruthenium erst einige Jahre gelagert werden, bevor es den Kontrollbereich verlassen darf.

Eigenschaften

Ruthenium ist ein hartes, sprödes, grauweißes Metall der Gruppe der Platinmetalle, das in vier Kristall-Modifikationen vorkommt.
Bei Raumtemperatur behält es seine metallisch blanke Oberfläche und läuft nicht an. Beim Glühen im Sauerstoffstrom bildet sich flüchtiges, unbeständiges und giftiges Rutheniumtetraoxid, das durch Lichteinwirkung explosiv in Rutheniumdioxid und Sauerstoff zerfallen kann.
Ruthenium ist in allen mineralischen Säuren unterhalb von 100 °C beständig, löst sich aber in Alkalischmelzen, besonders wenn zusätzlich oxidierend wirkende Verunreinigungen wie Natriumperoxid Na₂O₂ und Natriumchlorat NaClO₃ vorhanden sind. Bei höheren Temperaturen wird es auch von Halogenen oxidiert.
Zum Härten von Platin und Palladium wird es in kleinen Mengen zulegiert. In Titanlegierungen erhöht eine Konzentration von 0,1 % Ruthenium die Korrosionsbeständigkeit drastisch.

Plattierungen aus Ruthenium können elektrolytisch wie auch durch thermische Zersetzung hergestellt werden.
Eine Ruthenium-Molybdän-Legierung ist supraleitend. Die Sprungtemperatur beträgt 10,6 K.
Ruthenium kommt in den Oxidationsstufen -2 und +1 bis +8 vor, meist aber nur die Stufen +2, +3 und +4.  

Anwendungen

• Elektrischen Schaltkontakten aus Platin und Palladium wird Ruthenium zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit zulegiert
• Legierungszusatz in Titanlegierungen (siehe oben)
• Ruthenium kann als vielseitiger Katalysator eingesetzt werden
• Mit Rutheniumdioxid beladenes Cadmiumsulfid kann in wässriger Lösung Schwefelwasserstoff durch Licht zersetzen
• Metallorganische Rutheniumkomplexe weisen tumorhemmende Eigenschaften auf, sog. Ruthenium-Applikator (RU-106 Strahlenträger) in der Strahlen-/Tumortherapie
• In der Galvanotechnik wird Ruthenium zur dekorativen Veredelung von Oberflächen benutzt
• Ruthenium wird in letzter Zeit zunehmend auch zur Schmuckproduktion verwendet
• Als wenige Atomlagen dicke Beschichtung in Festplatten
• Wichtiges Metall für das weitere Verkleinern (Shrinken) von integrierten Schaltkreisen (Chips)
• Derzeit sind Solarzellen in Entwicklung, die eine Ruthenium-Beschichtung aufweisen und die in der Photovoltaik vorherrschenden Silicium-Zellen dank höherem Wirkungsgrad teilweise ersetzen könnten

Vorsichtsmaßnahmen

Rutheniumtetraoxid RuO₄ ist wie das Osmiumtetraoxid hochtoxisch und explosiv.
Ruthenium hat keine biologische Funktion. Es erzeugt Hautflecken und reichert sich im Knochen an. Eventuell ist es krebserregend. Metallisches Ruthenium ist fein verteilt als Pulver oder Staub leicht entzündlich, in kompakter Form aber nicht brennbar.

Verbindungen

Rutheniumverbindungen sind den Cadmiumverbindungen sehr ähnlich. Es existieren mindestens acht Oxidationsstufen. Meist liegt es aber in den Stufen +2, +3 und +4 vor. Es hat eine reiche Koordinationschemie, wobei der bekannteste Komplex wohl das Ruthenium(II)tris(bipyridin) ist.

Literatur

Prechtl, Martin H.G.(2007): Novel Ruthenium Dihydrogen Complexes and their Application in Catalyses. Duisburg & Köln: WiKu-Verlag Dr. Stein. ISBN 978-3-86553-229-9.