Het is zilvergrijs. Als je goed kijkt, lijkt het veel op platina. Het is moeilijker. Het is brozer. Het is ruthenium.
Misschien kent u de naam niet. Je hebt het waarschijnlijk niet vastgehouden. Maar dit obscure element versterkt stilletjes de legeringen die de high-end industrie definiëren. Zonder dit zouden platina en palladium te zacht zijn voor veel kritische toepassingen. Het is noodzakelijkerwijs een legeringsmiddel.
Het verhaal over hoe we het vonden is rommelig. Het metaal komt in ongelooflijk lage concentraties voor in de aardkorst. We hebben het over 0,001 delen per miljoen. Dat is er nauwelijks. Toch komt het voor in inheemse legeringen met iridium en osmium. Je kunt er tot 14,1 procent van vinden in iridosmine. Of 18,3 procent in siserskiet. Het verbergt zich ook in sulfide-ertsen. Denk aan pentlandiet in Sudbury, Ontario. Dat nikkelmijngebied levert het op in hoeveelheden die klein genoeg zijn om vervelend te zijn, maar groot genoeg om commercieel te winnen.
Wie heeft de ontdekking eigenlijk opgeëist? Het was niet schoon. Gottfried Wilhelm Osann probeerde het in 1828 te identificeren, maar dat mislukte. Zijn bevindingen bleven onduidelijk. Tientallen jaren later, in 1844, kwam de Russische scheikundige Karl Karlovich Klaus tussenbeide. Hij stelde het bestaan van dit zeldzame, heldere metaal met zekerheid vast. Hij behield ook de naam die Osann had voorgesteld. Waarom? Traditie? Vasthoudendheid? Misschien gewoon omdat de naam bleef hangen.
Dit is een metaal uit de platinagroep. Het behoort tot de groepen 8–10 en de perioden 5 en 6 van het periodiek systeem. Het ligt in een drukke buurt. De schaarste aan ruthenium maakt het lastig om ermee te werken. De broosheid beperkt de manier waarop je het kunt vormgeven. Maar het vermogen om andere metalen te harden maakt het onmisbaar.
We graven het op uit nikkelmijnen. We halen het uit iridiumertsen. Wij verfijnen het. Vervolgens voegen we het toe aan platina. Het resultaat is een materiaal dat onder druk standhoudt. Daarom is het belangrijk. Niet omdat het mooi is. Maar omdat het werkt.
De toeleveringsketen is strak. De overvloed is laag. De vraag is specifiek. En Klaus gaf het de naam die we vandaag de dag gebruiken.
Wat gebeurt er als de nikkelafzettingen opdrogen? Of wanneer de vraag naar katalysatoren piekt? De wiskunde wordt krap. Ruthenium is al schaars. Het wordt alleen maar moeilijker te vinden.
De praktische grenzen van puur ruthenium
Je kunt ruthenium niet zomaar smelten en in een mal gieten. Het smeltpunt is te hoog en de broosheid blijft hardnekkig, zelfs als het witgloeiend is. Probeer het in vellen te rollen of in draad te trekken, en het barst. Het metaal weigert eenvoudigweg zich te gedragen als ductiel koper of smeedbaar goud. Hierdoor zijn er vrijwel geen industriële toepassingen voor puur metallisch ruthenium.
Het enige echte gebruik van het bulkmetaal is als legeringsmiddel voor platina en andere metalen uit de platinagroep. Het doet het zware werk van verharding. Iridium doet vrijwel hetzelfde voor platina, maar ruthenium bundelt de krachten met rhodium om palladium te verharden. Het resultaat is een superieur materiaal. Deze geharde legeringen slijten veel beter dan de zuivere metalen. Zij domineren de productie van fijne sieraden die dagelijks misbruik moeten overleven. Ze voeden ook elektrische contacten die weerstand moeten bieden aan de wrijving van voortdurend verbinden en ontkoppelen.
De nucleaire schaduw
Ruthenium verbergt zich in het puin van kernreactoren. Het komt voor tussen de splijtingsproducten van uranium en plutonium. Specifiek is radioactief ruthenium-106 een belangrijke speler. Het heeft een halfwaardetijd van ongeveer een jaar. Het vervalt tot rhodium-106, dat van korte duur maar zeer actief is. Samen zijn ze verantwoordelijk voor een aanzienlijk deel van de resterende straling in reactorbrandstof een jaar na gebruik.
Dit creëert een logistieke nachtmerrie voor recycling. U wilt ongebruikte splijtstoffen terugwinnen uit verbruikte splijtstof. Maar het stralingsgevaar is ernstig. Erger nog, het chemische gedrag van ruthenium lijkt op dat van plutonium. Het scheiden van de twee is moeilijk. De gelijkenis maakt het bijna onmogelijk om de bruikbare brandstof schoon te winnen zonder de rutheniumverontreiniging aan te pakken.
Isotopen en chemische veerkracht
Natuurlijk ruthenium is niet slechts één ding. Het is een mengsel van zeven stabiele isotopen. Ruthenium-102 komt met 31,6 procent het meest voor. Ruthenium-104 volgt met 18,6 procent. De rest zijn kleinere plakjes: ruthenium-101 (17,1 procent), ruthenium-99 (12,7 procent), ruthenium-100 (12,6 procent), ruthenium-96 (5,54 procent) en ruthenium-98 (1,86 procent). Het metaal bestaat in vier allotrope vormen.
Chemisch gezien is het vrijwel immuun voor aanvallen. Samen met osmium is ruthenium het meest nobele platinametaal. Het verkleurt niet in de lucht. Sterke zuren kunnen het niet aanraken. Zelfs aqua regia werkt niet. Om het af te breken, moet je het samensmelten met een alkalisch oxiderend vloeimiddel zoals natriumperoxide. Voeg voor de goede orde natriumchloraat toe. Het resultaat is een groene smelt die het perruthenaat-ion bevat. Los dat op in water en je krijgt een oranje oplossing van het stabiele ruthenation.
Oxidatietoestanden en vluchtige gevaren
De chemie van ruthenium strekt zich uit van -2 tot +8. De belangrijkste toestanden zijn +2, +3, +4, +6 en +8. Het vormt carbonyl- en organometaalverbindingen in de lage staten. Maar het gedijt ook in de hoge staten. IJzer, zijn lichtere neef, heeft moeite om +6 of +8 te bereiken. Ruthenium raakt ze gemakkelijk.
Dit leidt tot de vorming van rutheniumtetroxide, RuO4. Het is zeer volatiel. Chemici gebruiken het om ruthenium te scheiden van andere zware metalen. Het bevat het element in de hoogst bekende oxidatietoestand van +8. Interessant is dat het, hoewel het de stabiliteit en vluchtigheid deelt met osmiumtetroxide, niet rechtstreeks uit de elementen kan worden gevormd. De chemie van ruthenium en osmium verloopt op vergelijkbare sporen. Ze vormen uitgebreide reeksen tetroxides, oxohalogeniden en oxoanionen.
In water komen eenvoudige aquo-ionen nauwelijks voor. Vrijwel elke waterige oplossing bevat complexen. De coördinatiechemie is rijk. Er bestaat zelfs een unieke reeks nitrosylcomplexen.
Elementeigenschappen
atoomnummer: 44
atoomgewicht: 101.07
smeltpunt: 2.250° C (4.082° F)
kookpunt: 3.900° C (7.052° F)
soortelijk gewicht: 12,30 (20° C)
valentie: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
elektronconfiguratie: 2-8-18-15-1 of (Kr)4d75s1
