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45. Rhodium (Rh) – Das teuerste Metall · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Loslassen und lernen. Heute reisen wir zu einem
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Element, das in seiner Stille fast unscheinbar wirkt und doch
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zu den begehrtesten Substanzen gehört, die der Mensch jemals
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aus der Erde gelöst hat. Rhodium, chemisches Symbol RH.
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Ordnungszahl, 45 ein silberweißes Metall, das in
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seiner reinen Form so hell glänzt, dass es fast wie
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flüssiges Mondlicht erscheint, wenn man es poliert.
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Es gehört zur Gruppe der Platinmetalle, jener kleinen
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Familie von 6 Elementen, die sich im Periodensystem
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zusammenschmiegen wie eine verschworene Gemeinschaft.
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Ruthenium, Rhodium, Palladium in der einen Reihe, Osmium,
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Iridium, Platin in der anderen. Sie teilen sich Eigenschaften,
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vorkommen und ein gemeinsames Schicksal in der Tiefe der Erde,
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und doch hat jedes von ihnen seinen eigenen Charakter, seine
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eigene Geschichte. Rhodium ist innerhalb dieser
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Familie das Geheimnisvollste, das seltenste, das teuerste.
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Im Frühjahr 2021 erreichte Rhodium einen Höchststand von
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rund 29000 US Dollar pro Feinunze.
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Eine Feinunze entspricht etwa 31 Komma 100 500 Gramm zum
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Vergleich Gold lag zur selben Zeit bei etwa $1800 pro
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Feinunze, Platin bei etwa $1200 Rhodium war also ungefähr 16 mal
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so wertvoll wie Gold. Und 24 mal so wertvoll wie
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Platin. Wer ein Kilogramm Rhodium besaß,
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besaß einen Schatz im Wert von fast einer 1000000 US Dollar.
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Und das alles bei einem Metall, von dem die meisten Menschen
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noch nie gehört haben, das in keinem Schmuckkasten prominent
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zu finden ist. Das niemand auf der Straße
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erkennen würde. Die Preisbildung folgt dabei
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einer eigenwilligen Logik, denn der Rhodiummarkt ist klein, eng,
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anfällig für Schwankungen. Jährlich werden weltweit nur
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etwa 30 Tonnen produziert, weniger als ein Hundertstel der
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Goldproduktion und ein winziger Bruchteil dessen, was die
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Eisenindustrie an einem einzigen Tag bewegt.
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Die Geschichte des Rhodiums beginnt im Jahr 1803 in London.
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In einem Laboratorium, das heute kaum noch jemand kennt.
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Und doch wurden dort innerhalb weniger Monate 2 Elemente
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entdeckt, die das Periodensystem für immer prägen sollten.
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William Hyde Wallerstone, ein englischer Chemiker und Arzt,
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geboren 1766 in East Dirryham gestorben. 1828 in London war
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ein Mann von außerordentlicher Sorgfalt und einem Talent für
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das Praktische, das viele seiner theoretisch begabten
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Zeitgenossen nicht besaßen. Wolluston hatte zusammen mit
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seinem Freund und Geschäftspartner Smithson
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Tennant eine Möglichkeit gefunden, Platin so zu
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verarbeiten, dass es sich industriell nutzen ließ.
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Bis dahin galt Platin als ein widerspenstiges Metall, das sich
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nur schwer schmelzen und formen ließ.
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Wollerstone entwickelte ein Verfahren der Pulvermetallurgie,
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das diese Hürde überwand und ihn zu einem der reichsten
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Wissenschaftler seiner Zeit machte.
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Bei der Untersuchung südamerikanischer Platin Erze,
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die aus den Flüssen Kolumbiens stammten und damals als das
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hochwertigste Rohmaterial der Welt galten, wurde.
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Stieß er auf Rückstände, die sich nicht erklären ließen?
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Aus diesen Rückständen isolierte er ein neues Element, das beim
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Auflösen in Königswasser eine charakteristisch rosenrote
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Färbung hervorrief. Diese Farbe gab dem Element
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seinen Namen, abgeleitet vom griechischen Rhodon der Rose.
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Im selben Jahr und aus ähnlichen Rückständen isolierte Wollaston
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auch Palladium, das er nach dem damals frisch entdeckten
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Asteroiden Pallas benannte. Die Entdeckung des Rhodiums fiel
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in eine Zeit, in der das Periodensystem als geordnete
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Struktur noch gar nicht existierte, erst 66 Jahre später
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im Jahr 1869. Veröffentlichte Dimitri
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Mendelejew seine erste Tabelle der Elemente und Lothar Meier
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arbeitete unabhängig davon an einer ähnlichen Systematik.
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Rhodium fand seinen Platz in der neunten Gruppe in der fünften
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Periode, eingebettet zwischen Ruthenium und Palladium.
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Seine Elektronenkonfiguration ist auf den ersten Blick
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ungewöhnlich, denn statt der zu erwartenden Anordnung mit 2
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Elektronen in der äußersten Schale weist Rhodium nur ein
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einziges Elektron in der fünften Hauptschale auf.
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Die Konfiguration lautet Krypton 4 d 85 s ersten dieses Phänomen,
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bei dem ein Elektron aus der S Schale in die d Schale wechselt.
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Tritt bei mehreren Übergangsmetallen auf und hängt
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mit der energetischen Stabilität halb oder vollständig gefüllter
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Orbitale zusammen. Bei Rhodium ist es eine
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besonders elegante Lösung, die dem Element seine spezifische
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Reaktivität verleiht, die physikalischen Eigenschaften des
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Rhodiums lesen sich wie ein Loblied auf die Beständigkeit
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er. Es hat einen schmelzpunkt von
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1964 Grad Celsius, einen Siedepunkt von 3695 Grad
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Celsius, eine dichte von 12 komma 41 gramm pro
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Kubikzentimeter, was es etwa 55% Dichter macht als Eisen, aber
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leichter als Platin oder Osmium. Es ist hart, mit einer Mooshärte
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von 6 Korrosionsbeständig oxidiert an Luft selbst bei
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Rotglut kaum, widersteht den meisten Säuren und löst sich
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nicht einmal in Königswasser, jener aggressiven Mischung aus
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Salzsäure und Salpetersäure, die selbst Gold zum Aufgehen bringt.
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Wer Rhodium auflösen will, braucht spezielle Verfahren,
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etwa eine Schmelze mit Natriumbisulfat oder den
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Aufschluss mit heißer Schwefelsäure unter Zugabe von
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Sauerstoff. Diese Resistenz ist einer der
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Gründe, warum Rhodium so wertvoll ist.
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Denn ein Metall, das nicht angegriffen wird, ist ein
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Metall, das immer wieder verwendet werden kann.
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Und ein Metall, das seine Eigenschaften über Jahre und
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Jahrzehnte behält, ohne zu altern.
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Die Reflektivität des Rhodiums ist eine weitere seiner stillen
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Tugenden im sichtbaren Licht reflektiert es etwa 80% des
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einfallenden Lichts, und diese Reflexion bleibt über die Zeit
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stabil, weil sich keine matte Oxidschicht bildet wie bei
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Silber. Aus diesem Grund wurde Rhodium
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früher häufig zur Beschichtung von Spiegeln in optischen
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Instrumenten verwendet, in Mikroskopen, in Scheinwerfern,
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in wissenschaftlichen Apparaturen, bei denen es auf
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langfristige Stabilität ankam. Auch heute noch findet man
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rhodiumbeschichtete Oberflächen in der hochwertigen Optik in der
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Schmuckindustrie als sogenannte Rhodinierung von Weißgold und
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Silber, die die Stücke vor dem Anlaufen schützt und ihnen einen
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besonders kühlen weißen Glanz verleiht.
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Wer einen Weißgoldring trägt, trägt mit hoher
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Wahrscheinlichkeit eine hauchdünne Rhodiumschicht von
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etwa 0,05 Mikrometern auf der Oberfläche, eine Schicht, die.
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Die nach einigen Jahren des Tragens abgenutzt sein kann und
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dann erneuert werden muss. Rhodium ist der wichtigste
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Bestandteil des 3 Wege Katalysators, jener kleinen
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Vorrichtung im Auspuffstrang von Benzinmotoren, die die Abgase
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reinigt, bevor sie in die Atmosphäre gelangen, etwa 80 bis
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85% der weltweiten Rhodiumproduktion fließen in
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diese Anwendung. Im Katalysator übernimmt Rhodium
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die schwierigste Aufgabe. Die Reduktion der Stickoxide zu
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molekularem Stickstoff. Stickoxide, also
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Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, entstehen bei
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der Verbrennung in heißen Motoren, wenn Luftstickstoff und
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Luft Sauerstoff bei hohen Temperaturen reagieren.
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Sie sind hochgiftig, tragen zur Bildung von bodennahem Ozon bei,
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schädigen Atemwege und Pflanzen, sind beteiligt an saurem Regen.
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Ohne Rhodium würden die Stickoxid Emissionen der
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Verbrennungsmotoren ein Vielfaches dessen betragen, was
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heute aus den Auspuffrohren strömt.
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Platin und Palladium die anderen beiden Edelmetalle im
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Katalysator übernehmen die Oxidation von Kohlenmonoxid und
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unverbrannten Kohlenwasserstoffen, rhodium
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aber ist der einzige praktikable Stoff, der die Stickoxide
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effektiv. Und bei den im Auspuff
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herrschenden Temperaturen zerlegen kann, und zwar in einem
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Bereich, der eng zwischen einer zu mageren und einer zu fetten
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Gemischzusammensetzung schwankt. Die Geschichte dieser Anwendung
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ist mit der Geschichte des modernen Umweltschutzes
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verwoben. In den 70er Jahren des 20
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Jahrhunderts wurden in den Vereinigten Staaten erstmals
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strenge Abgasgrenzwerte erlassen.
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Im Rahmen des Clean Air Act von 1970.
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Die Automobilindustrie stand vor der Aufgabe, Lösungen zu finden,
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und die Antwort kam in Form des Katalysators, der zunächst nur
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Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe Oxidierte.
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Der 3 Wege Katalysator mit Rhodium wurde Ende der 70er
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Jahre eingeführt und gilt seit den 80er Jahren in den meisten
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westlichen Ländern als Standardausstattung.
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In Europa wurde er ab 1989 schrittweise vorgeschrieben,
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beginnend mit der Euro 1 Norm, die ab 1992 galt.
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Seitdem hat sich der Rhodiumverbrauch der
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Automobilindustrie zu einem zentralen Faktor des Weltmarkts
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entwickelt, mit allen Schwankungen, die ein so eng
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gekoppelter Markt mit sich bringt.
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Die Vorkommen des Rhodiums sind geografisch extrem konzentriert,
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etwa 80% der Weltproduktion, stammen aus einem einzigen
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geologischen Komplex, dem Busch Weltkomplex in Südafrika.
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Diese gewaltige Intrusion magmatischen Gesteins, die sich
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vor etwa 2 Milliarden Jahren bildete, erstreckt sich über
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eine Fläche von rund 66000 Quadratkilometern und enthält
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die größten bekannten Reserven an Platinmetallen weltweit.
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Die wichtigsten Erze sind dort der merensky Riff, das Upper
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Group 2 Reef und das Platreef, in denen die Platinmetalle in
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winzigen Konzentrationen vorkommen.
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Oft nur wenige Gramm pro Tonne Gestein daneben gibt es
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bedeutende Vorkommen in Russland, vor allem in der
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Region Norilsk in Sibirien, wo Rhodium als Nebenprodukt der
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Nickel und Kupfergewinnung anfällt.
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Kleinere Mengen werden in Simbabwe, Kanada und den
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Vereinigten Staaten gefördert. Diese geographische
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Konzentration macht den Markt anfällig für Störungen, sei es
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durch politische Instabilität, Streiks in den südafrikanischen
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Bergwerken, Stromausfälle, die die energieintensive Förderung
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lahmlegen, oder durch Sanktionen gegen Russland.
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Im Jahr 2020 führten Dubai Stromausfälle in Südafrika und
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Produktionsstörungen bei einem der größten Anbieter zu einem
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dramatischen Anstieg des Rhodium Preises, der innerhalb weniger
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Monate fast verdoppelt wurde. Die Gewinnung selbst ist ein
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technisches Wunderwerk und eine ökologische Herausforderung
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zugleich, aus einer Tonne Erz lassen sich oft nur wenige
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Hundertstel Gramm Rhodium gewinnen.
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Das Gestein muss erst gemahlen, dann durch Flotation
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angereichert, anschließend geschmolzen und in mehrstufigen
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chemischen Verfahren aufgetrennt werden.
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Die Trennung der Platinmetalle voneinander ist besonders
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schwierig, weil sich ihre chemischen Eigenschaften ähneln.
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Klassische Verfahren beruhten auf einer Abfolge von Fällungen,
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Auflösungen, Filtrationen und Kristallisationen, die viele
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Wochen in Anspruch nehmen konnten.
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Moderne Verfahren nutzen die Lösungsmittelextraktion, bei der
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die einzelnen Metalle nacheinander durch organische
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Komplexbildner aus wässrigen Lösungen entfernt werden.
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Auch die Ionenaustauscher Chromatographie spielt eine
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Rolle am Ende der Kette steht reines Rhodiummetall, oft in
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Form von Schwamm oder als Pulver, das für die jeweilige
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Anwendung weiterverarbeitet wird.
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Ein bedeutender Anteil des heute verwendeten Rhodiums stammt
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nicht aus dem Bergbau, sondern aus dem Recycling.
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Alte Katalysatoren werden gesammelt, zerlegt und ihre
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Edelmetalle zurückgewonnen, etwa 30 bis 40% des jährlichen
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Rhodiumbedarfs wird heute aus solchen sekundären Quellen
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gedeckt. Diese Kreislaufwirtschaft ist
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ökologisch von erheblicher Bedeutung, denn die Gewinnung
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eines Kilogramms Rhodium aus dem Erz.
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Erfordert das Bewegen und verarbeiten von Hunderten Tonnen
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Gestein und ist mit einem entsprechend hohen Energie und
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Wasserverbrauch verbunden. Das Recycling spart einen großen
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Teil dieses Aufwands ein und reduziert zugleich die
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Abhängigkeit von wenigen Förderländern.
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Die Wiedergewinnung erfolgt in spezialisierten Anlagen, in
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denen die keramischen Träger der Katalysatoren in starken Säuren.
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Aufgeschlossen werden und die Edelmetalle in mehrstufigen
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Verfahren gereinigt werden. Auch Schmuckabfälle und
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Industrieschrott werden auf diesem Weg recycelt.
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Die chemische Reaktivität des Rhodiums ist trotz seiner
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Beständigkeit erstaunlich vielfältig, in seinen
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Verbindungen tritt es vorwiegend in den Oxidationsstufen plus 1 +
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2 und plus 3 auf, wobei die Stufe plus 3 mit Abstand die
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häufigste ist. Rhodium 3 Chlorid rhc l 3 ist
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eine wichtige Ausgangsverbindung für die Herstellung anderer
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Rhodiumverbindungen, vor allem für die Synthese von
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Katalysatoren in der homogenen Katalyse.
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In diesem Bereich hat das Element seine zweite große
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Karriere als Katalysator gemacht, neben der Anwendung im
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Autoabgaskatalysator, der ein heterogener Katalysator ist.
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In der homogenen Katalyse löst sich der Katalysator zusammen
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mit den Reaktionspartnern in einer flüssigen Phase und die
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Reaktionen können unter Mildbedingungen ablaufen, oft
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bei Raumtemperatur und Normaldruck.
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Rhodiumkomplexe spielen hier eine herausragende Rolle, vor
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allem in der Hydroformülierung einer Reaktion bei der Olefine
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mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Aldehyden
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umgesetzt werden. Die wiederum wichtige
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Zwischenprodukte für die Herstellung von Weichmachern,
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Detergenzien und anderen Chemikalien sind.
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Die weltweite jährliche Produktion an Aldehyden über
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diesen Prozess liegt im Bereich von mehreren Millionen Tonnen.
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Und der Großteil davon wird mit Rhodiumkatalysatoren
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hergestellt. Auch die asymmetrische
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Hydrierung, eine der eindrucksvollsten Reaktionen der
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modernen organischen Chemie, wird mit Rhodiumkomplexen
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durchgeführt. Bei dieser Reaktion werden
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chirale Moleküle hergestellt, also Moleküle, die in 2
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spiegelbildlichen Formen vorkommen können, von denen oft
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nur eine die gewünschte biologische Wirkung hat.
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Die Pharmazie ist auf solche Verfahren angewiesen, weil viele
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Wirkstoffe nur in einer der beiden Formen wirksam oder
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verträglich sind. Der amerikanische Chemiker
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William S. Knowles erhielt im Jahr 2001 den
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Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur asymmetrischen
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Hydrierung mit Rhodiumkatalysatoren, die in den
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60er und 70er Jahren entwickelt wurden und die Grundlage für die
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industrielle Synthese von Eldopa legten, einem wichtigen
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Medikament gegen die Parkinsonsche Krankheit.
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Noles teilte sich den Nobelpreis mit Riogi Noori und K.
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Barry Sharples, die ihrerseits Beiträge zur asymmetrischen
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Synthese geleistet hatten. Die Anwendung der
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Rhodiumkatalyse in der Pharmazie ist seitdem weiter ausgebaut
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worden und gehört zu den Standardwerkzeugen der
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industriellen Wirkstoffherstellung in der
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Glasindustrie spielt Rhodium ebenfalls eine wichtige Rolle.
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Legierungen aus Platin und Rhodium werden für die
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Herstellung von Glasfasern verwendet, indem geschmolzenes
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Glas durch sogenannte Düsenplatten gepresst wird, die
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aus diesen Legierungen bestehen. Diese Platten müssen den
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extremen Temperaturen von über 1500 Grad Celsius widerstehen
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und dürfen das Glas nicht verunreinigen, Rhodium erhöht
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die Härte. Und die Beständigkeit gegen
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Verformung gegenüber reinem Platin auch in der Herstellung
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von hochwertigem Bildschirmglas in der Optik und in der
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Produktion spezieller Glasfasern für die Telekommunikation finden
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sich rhodiumhaltige Bauteile. Die Lebensdauer einer solchen
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Düsenplatte kann mehrere Jahre betragen und am Ende ihrer
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Nutzung wird das Material recycelt.
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Weil der Materialwert allein die Wiederaufarbeitung
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wirtschaftlich macht. Eine weitere Anwendung findet
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sich in thermoelementen, Platin, Rhodium, Thermoelemente, oft mit
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10 oder 13%. Rhodiumanteil werden für die
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Messung sehr hoher Temperaturen verwendet, in Hochöfen, in der
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Glasproduktion, in der Halbleiterindustrie, in.
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Sie können Temperaturen bis etwa 1700 Grad Celsius zuverlässig
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messen und sind über lange Zeiträume stabil.
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Der Typ S mit 10% Rhodium ist seit Jahrzehnten ein
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internationaler Standard und wird unter anderem für die
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Definition der internationalen Temperaturskala verwendet.
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Die thermoelektrische Spannung, die zwischen einem Platin
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Rhodiumdraht und einem reinen Platindraht entsteht, ist so
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präzise reproduzierbar, dass sie als Referenz dient.
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In der Schmuckindustrie wird Rhodium, wie bereits erwähnt,
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vor allem als Beschichtung verwendet, reiner Rhodiumschmuck
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ist äußerst selten, weil das Metall spröde ist und sich nur
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schwer in dünne Formen bringen lässt.
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Doch es gibt einige wenige Stücke aus massivem Rhodium, die
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zu den teuersten Schmuckobjekten der Welt gehören.
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Ein berühmtes Beispiel ist eine rhodium Schmuck Kollektion, die
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das Guinness Buch der Rekorde Ende der 70er Jahre als
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wertvollste Stücke verzeichnete. Heute wird der Rhodiumglanz auch
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als Statussymbol genutzt, etwa in Form spezieller Editionen von
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Uhren und Schmuck. Deren Hülle aus Rhodium besteht
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oder Rhodiniert, ist. Auch wissenschaftliche
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Auszeichnungen wurden gelegentlich aus Rhodium
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gefertigt. Der amerikanische Sänger Paul MC
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Cartney etwa erhielt eine Rhodium beschichtete
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Schallplatte, weil eine goldene oder platinfarbene Auszeichnung
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den Verkaufsrekorden nicht mehr gerecht wurde.
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Die toxikologischen Eigenschaften des Rhodiums sind
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im Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen vergleichsweise
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unbedenklich. Metallisches Rhodium gilt als
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praktisch ungiftig, weil es vom Körper nicht aufgenommen wird
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und chemisch inert ist. Lösliche Rhodiumverbindungen wie
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das Rhodium 3 Chlorid können hingegen bei längerer Exposition
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reizend wirken und gelten als möglicherweise Sensibilisierend
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als. Also als Auslöser allergischer
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Reaktionen. Studien zur Karzinogenität
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existieren, sind aber wegen der seltenen Exposition begrenzt.
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In der Umwelt findet sich Rhodium heute in messbaren
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Mengen, vor allem entlang von Autobahnen, wo Katalysatoren bei
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intensiver Nutzung kleinste Mengen Rhodium emittieren, die
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sich im Straßenstaub und in angrenzenden Böden anreichern.
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Die Konzentrationen liegen im Bereich von Nanogramm Programm
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Staub, sind also extrem niedrig, geben aber Hinweise darauf, wie
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weit die Spuren menschlicher Technik in die Umwelt
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hineinreichen. In den Sternen wird Rhodium auf
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eine Weise gebildet, die uns einen Blick in die größten
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kosmischen Ereignisse erlaubt, die schweren Elemente jenseits
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des Eisens entstehen nicht durch normale Sternfusion.
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Weil die Fusion ab dem Eisen keine Energie mehr freisetzt,
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sondern verbraucht. Sie entstehen durch
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Neutroneneinfangprozesse, von denen es 2 wesentliche Varianten
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gibt, der langsame Neutroneneinfang der Essprozess
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läuft in den späten Phasen massereicher Sterne und
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insbesondere in sogenannten Roten Riesen ab und produziert
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vor allem stabile Isotope mit moderatem Neutronenüberschuss.
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Der schnelle Neutroneneinfang der R Prozess läuft in
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Supernovae und vor allem bei der Verschmelzung von
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Neutronensternen ab und produziert die schwersten und
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neutronenreichsten Kerne. Rhodium entsteht zum großen Teil
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durch den S Prozess in den Atmosphären Sterbender Sterne,
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deren Materie dann durch Sternenwinde oder beim finalen
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Kollaps in den interstellaren Raum gelangt.
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Dass wir heute Rhodium auf der Erde finden können, ist ein Erbe
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ferner Sternenexplosionen, die vor Milliarden Jahren
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stattgefunden haben, lange bevor unsere Sonne und ihre Planeten
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entstanden. Jedes Atom Rhodium in deinem
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Smartphone, in deinem Auto, in deinem Trauring, falls er aus
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Weißgold besteht, war einst Teil eines Sterns.
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Und so legen wir das stille, silbrige Element nun zur Ruhe,
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schließen die Tür zu seiner Geschichte, atmen ruhig aus und
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nehmen den Gedanken mit, dass selbst die unscheinbarsten Dinge
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in unserer Welt eine Geschichte erzählen, die bis zu den Sternen
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reicht. Schlaf gut.