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44. Ruthenium (Ru) - Der Platin-Verwandte · 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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produzieren heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem
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Element, das auf den ersten Blick im Schatten seiner
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berühmteren Verwandten steht. Wenn wir an Edelmetalle denken,
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fallen den meisten Menschen sofort Gold, Silber und Platin
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ein. Dabei gibt es eine ganze Familie
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von Edelmetallen, die in vielen modernen Technologien eine
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zentrale Rolle spielen, deren Namen aber nur den Wenigsten
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geläufig sind. Eines dieser stillen
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Wirkungselemente ist ein silbergraues Metall, das einen
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besonderen Bezug zu Russland hat, das in den Härtelegierungen
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der besten Füllfederhalterspitzen steckt,
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das den nächsten großen Sprung in der Halbleiterindustrie
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ermöglichen könnte und das in den Forschungslaboren der Welt
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als einer der vielseitigsten Katalysatoren überhaupt gilt.
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Heute geht es um Ruthenium mit dem chemischen Symbol RU und der
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Ordnungszahl 44. Lass uns gemeinsam ein Element
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kennenlernen, das zur Familie der Platin Metalle gehört, das
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als jüngstes Mitglied dieser Gruppe entdeckt wurde und das in
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der modernen Materialforschung, in der Energiewende und sogar in
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der Krebstherapie eine immer wichtigere Rolle spielt.
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Ruthenium steht im Periodensystem in der fünften
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Periode und in der achten Gruppe, die in der älteren
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Nomenklatur als Eisengruppe bezeichnet wurde.
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In der modernen Einteilung gehört es zur Gruppe der
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Übergangsmetalle und bildet zusammen mit Eisen, Osmium und
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dem künstlich erzeugten Hassium eine vertikale Familie.
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Mit der Ordnungszahl 44 sitzt es zwischen Technetium und Rhodium
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und nimmt damit einen Platz mitten in der Reihe der
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Platinmetalle ein. Diese 6 Elemente, also
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ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin,
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werden auch als die Platin Gruppenmetalle, kurz Pgm, für
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Platinum Group Metals. Zusammengefasst und teilen sich
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viele charakteristische Eigenschaften wie hohe Dichte,
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ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit und
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herausragende katalytische Wirkung.
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Die Elektronenkonfiguration von Ruthenium lautet in der
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Kurzschreibweise Krypton plus 4 d hoch 7 und 5 s hoch 1.
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Auch hier zeigt sich wieder die für Übergangsmetalle typische
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Bevorzugung der d Schale. Die zu einer Vielzahl möglicher
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Oxidationsstufen führt. Ruthenium kann in seinen
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Verbindungen oxidationsstufen von -2 bis plus 8 annehmen,
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wobei die Stufen plus 2, + 3 und plus 4 am häufigsten Vorkommen.
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Diese außergewöhnliche Vielfalt, insbesondere das Auftreten der
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höchsten möglichen Oxidationsstufe Plus 8 im
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Rutheniumtetroxid. Macht das Element zu einem der
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chemisch vielseitigsten Vertreter des gesamten
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Periodensystems und ist die Grundlage für seine
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herausragende Bedeutung in der Katalyse.
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Die Atommasse von Ruthenium beträgt rund 101,07 atomare
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Masseneinheiten und in der Natur kommt es in 7 stabilen Isotopen
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vor, die. Die häufigsten sind Ruthenium,
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102 mit etwa 31,6% Anteil, ruthenium 104 mit rund 18,6% und
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ruthenium 101 mit 17,1%. Die isotopische Vielfalt macht
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Ruthenium auch in der nuklearen Forensik interessant, denn die
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Isotopenverhältnisse können Hinweise auf die Herkunft einer
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Probe liefern, die. Tatsächlich wurde Ruthenium 106,
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ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von rund 374
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Tagen im Herbst 2017 in der Atmosphäre über weiten Teilen
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Europas in erhöhten Konzentrationen nachgewiesen.
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Die Spurenanalyse deutete auf eine Freisetzung im südlichen
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Ural hin. Vermutlich in einer
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Wiederaufarbeitungsanlage, ohne dass jemals offiziell bestätigt
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wurde, was genau geschehen war. Dieses Ereignis zeigte
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eindrucksvoll, wie empfindlich moderne Messtechnik, selbst
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kleinste Mengen radioaktiver Isotope erfassen kann.
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Reines metallisches Ruthenium ist ein Silbergraues, sehr
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hartes und sprödes Metall mit einer Dichte von 12,45 Gramm pro
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Kubikzentimeter. Es schmilzt bei 2334 Grad
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Celsius und siedet bei rund 4150 Grad Celsius und gehört damit zu
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den Refraktärmetallen, also den hochschmelzenden Metallen.
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Mit einer Mooshärte von 6,5 ist es eines der härtesten
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Edelmetalle überhaupt. Härter als reines Eisen und
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vergleichbar mit gehärtetem Stahl.
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Diese Härte ist auch der Grund für seine Verwendung in
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besonders verschleißfesten Legierungen, auf die wir gleich
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noch eingehen werden. Eine bemerkenswerte
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physikalische Besonderheit von Ruthenium liegt in seinem
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magnetischen Verhalten, während Eisen.
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Kobalt und Nickel als die klassischen Ferromagnete gelten,
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zeigt Ruthenium bei Raumtemperatur paramagnetisches
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Verhalten, dünne Rutheniumschichten und bestimmte
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Verbindungen weisen jedoch interessante magnetische
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Eigenschaften auf, die in der Spinntronik genutzt werden.
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Tatsächlich wurde 2018 in einer Aufsehen erregenden Studie
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berichtet. Das eine spezielle hexagonale
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Phase von dünnen Rutheniumfilmen bei Raumtemperatur
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ferromagnetische Eigenschaften zeigt, womit Ruthenium, das
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vierte ferromagnetische Element bei Raumtemperatur sein könnte.
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Diese Befunde sind bis heute Gegenstand intensiver Forschung
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und könnten neue Wege in der Datenspeichertechnologie
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eröffnen. Chemisch ist Ruthenium ein
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typisches Edelmetall. Es ist an Luft, bei
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Raumtemperatur vollständig beständig und reagiert nicht mit
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Wasser. Säuren einschließlich
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Königswasser können kompaktes Ruthenium bei Raumtemperatur
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kaum angreifen, was es zu einem der korrosionsbeständigsten
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Elemente überhaupt macht. Lediglich Oxidierende schmelzen,
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etwa Kaliumhydroxid mit Kaliumnitrat oder Kaliumchlorat.
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Lösen das Metall unter Bildung von Rutenat salzen auf dieses
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Verfahren der oxidativen alkalischen Schmelze ist auch
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der Schlüssel zur industriellen Gewinnung von Ruthenium aus
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Erzkonzentraten. Die hochreaktive Verbindung
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Rutheniumtetroxid mit der Summenformel RUO 4 ist eine der
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ungewöhnlichsten Substanzen der anorganischen Chemie.
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Sie ist bei Raumtemperatur ein gelblicher, flüchtiger Feststoff
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mit einem Schmelzpunkt von rund 25 Grad Celsius, ist hochgradig
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giftig, kann sich explosionsartig zersetzen und
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wird in der organischen Chemie als starkes Oxidationsmittel für
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besonders schwierige Reaktionen eingesetzt.
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Wenden wir uns nun der Geschichte der Entdeckung dieses
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Elements zu. Denn diese ist eng mit der
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Wissenschaftsgeschichte des östlichen Europas verknüpft.
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Bereits 1808 untersuchte der polnische Chemiker Jensej
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Schnadetzki Platinerse aus Südamerika und glaubte, ein
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neues Element gefunden zu haben, das er Vestium nannte, nach dem
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Asteroiden Vesta. Andere Forschende konnten seine
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Ergebnisse jedoch nicht reproduzieren und schnyadecki
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zog seine Behauptung schließlich zurück.
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Im Jahr 1827 untersuchten die Chemiker Gottfried Wilhelm Ozan
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und Jöns Jacob Bercelius Platin Erze aus dem Ural und
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identifizierten darin angeblich 3 neue Elemente, die Ozan
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Pluran, Polin und Ruthain nannte.
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Bercelius konnte diese Befunde jedoch nicht bestätigen und auch
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hier verschwand der Name zunächst wieder aus der
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wissenschaftlichen Literatur. Die endgültige Entdeckung gelang
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erst 1844 dem in Riga geborenen Chemiker Carl Ernst Klaus an der
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Universität Kazan im heutigen Russland.
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Claus arbeitete systematisch mit den Rückständen, die bei der
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Verarbeitung von Platinerzen aus dem Ural anfielen, und konnte
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aus diesen schwarzen Pulverresten ein bisher
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unbekanntes Element isolieren. Er bestätigte damit teilweise
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osans frühere Beobachtungen und übernahm dessen Namensvorschlag
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Rutaine, leitete diesen aber bewusst vom lateinischen Wort
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ruthenia ab. Das im Mittelalter für die
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Region des Kiewer Russ und später allgemein für Russland
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verwendet wurde. Damit ehrte Klaus sein
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Heimatland, in dem die wichtigsten damals bekannten
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Platin Vorkommen lagen. Sein Befund wurde von der
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internationalen Fachwelt rasch akzeptiert und Ruthenium wurde
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damit das letzte der 6 Platin Gruppen Metalle, das in das
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Periodensystem eingeordnet wurde.
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Wenden wir uns nun dem Vorkommen in der Natur zu.
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Ruthenium ist mit einem geschätzten Anteil von etwa
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0,001 Milligramm pro Kilogramm in der kontinentalen Erdkruste
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eines der seltensten stabilen Elemente überhaupt in der
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gleichen Größenordnung wie Iridium und Rhodium.
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In der Natur kommt es selten gediegen vor.
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Also in elementarer Form, häufiger jedoch in Mischungen
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mit anderen Platingruppenmetallen, etwa in
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Mineralien wie Laurit, einem Rutheniumsulfid oder als
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Beimengung in Osmiridium und Iridosmin.
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Die wichtigsten Lagerstätten der Welt liegen in Südafrika,
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genauer im Buschweltkomplex, einer riesigen geologischen
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Formation, die schätzungsweise 75% der weltweit bekannten
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Platinmetallreserven enthält. Weitere bedeutende Vorkommen
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finden sich in Russland vor allem im Norilsktalnachdistrikt
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in Sibirien. In Kanada, in der Sudbury
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Region, in Onterio und in geringerem Maße in Simbabwe und
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den Vereinigten Staaten. Die globale Jahresproduktion von
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Ruthenium liegt bei rund 30 bis 35 Tonnen, was im Vergleich zu
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Stahl oder Kupfer winzig erscheint im Vergleich zu Gold
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oder Platin aber durchaus respektabel ist.
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Die Gewinnung erfolgt fast ausschließlich als Nebenprodukt
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der Platin, Palladium und Nickelproduktion in einem
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aufwändigen, mehrstufigen Verfahren werden die einzelnen
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Platin Gruppen Metalle voneinander getrennt, da sie
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chemisch ausgesprochen ähnlich sind.
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Klassischerweise werden Konzentrate mit Königswasser
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behandelt, wobei Platin und Palladium in Lösung gehen.
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Während Ruthenium und seine Verwandten als Rückstand
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zurückbleiben durch oxidative alkalische Schmelze, werden die
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Unlöslichen Rückstände aufgeschlossen und über
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Destillation als Ruthenium Tetroxid.
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Wird das Element in reiner Form gewonnen.
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Schließlich wird das Tetroxid zu Ruthenium reduziert,
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üblicherweise durch Wasserstoff bei erhöhter Temperatur.
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Kommen wir nun zu den Anwendungen, denn hier zeigt
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Ruthenium seine Stille, aber ausgesprochen vielseitige
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Wirkung. Den größten Einzelmarkt stellt
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heute die Elektronikindustrie dar, in modernen Festplatten
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wird auf den magnetischen Speicherscheiben eine ultradünne
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Rutheniumschicht zwischen den magnetischen Funktionsschichten
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eingesetzt, in der Fachsprache als ruthenium Spacer bezeichnet.
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Diese Schicht ist nur wenige Atomlagen dick und ermöglicht
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durch eine besondere magnetische Wechselwirkung, den sogenannten
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Antiferromagnetischen Zwischenschichtaustausch, eine
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drastische Erhöhung der Speicherdichte.
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Diese als Antiferro, Magnetic Coupling oder AFC bekannte
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Technologie war ein Durchbruch, der die Speicherkapazität von
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Festplatten in den frühen 2000 er Jahren um ein Vielfaches
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steigern konnte und ohne Ruthenium nicht möglich gewesen
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wäre. Eine weitere wichtige
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elektronische Anwendung sind Widerstandspasten, in denen
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Rutheniumdioxid als aktive Komponente in
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Dickschichtwiderständen für Elektronik Bauteile dient.
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Hochreines Ruthenium kommt zudem in elektrischen Kontakten zum
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Einsatz, wo seine Härte und Korrosionsbeständigkeit für
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lange Lebensdauer sorgen. Auch in den allerneuesten
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Halbleiterprozessen, in denen Strukturen kleiner als 5
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Nanometer hergestellt werden, gewinnt Ruthenium an Bedeutung.
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Es wird intensiv erforscht als möglicher Ersatz für Kupfer in
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den feinsten Verbindungsleitungen
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integrierter Schaltkreise, da es bei extrem kleinen
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Strukturgrößen einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist
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als Kupfer. Eine traditionsreiche Anwendung
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liegt in der Schmuck und Schreibgeräteindustrie, eine
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Legierung aus rund 95% Platin und 5% Ruthenium ergibt einen
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besonders harten und kratzfesten Werkstoff, der in hochwertigen
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Eheringen, Uhrenkomponenten und Schmuckstücken verwendet wird.
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Auch die berühmten Iridiumspitzen klassischer
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Füllfederhalter enthalten häufig Ruthenium als Härtebestandteil,
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die. Da reines Iridium für die feine
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Bearbeitung zu spröde wäre. Die Mischung aus Iridium,
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Ruthenium und Osmium oft als Iridosmium oder einfach als
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Iridium Tip bezeichnet, ist seit über 100 Jahren der Goldstandard
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für hochwertige Schreibspitzen. Doch das wohl spektakulärste
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Anwendungsfeld von Ruthenium liegt in der Katalyse.
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In der industriellen Chemie sind Rutheniumkatalysatoren aus
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zahlreichen Prozessen nicht mehr wegzudenken.
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Im sogenannten Kellogg Brown and Root Advanced Ammonia Process,
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einer modernen Variante der Ammoniak Synthese, ersetzen
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rutheniumbasierte Katalysatoren die klassischen
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Eisenkatalysatoren des Haber Bosch Verfahrens.
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Und ermöglichen die Reaktion bei niedrigeren Drücken und
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Temperaturen. Dies könnte ein wichtiger
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Baustein für eine zukünftige grüne Ammoniakproduktion sein,
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die ohne fossile Energieträger auskommt, in der organischen
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Synthesechemie hat Ruthenium den Forscher innen einen
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Werkzeugkasten beschert. Der in den letzten 30 Jahren die
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Art, wie wir Moleküle aufbauen, fundamental verändert hat.
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Besonders herausragend sind die nach ihrem Entwickler benannten
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groubs Katalysatoren Ruthenium basierte Komplexverbindungen,
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die die sogenannte Olefin Metathese ermöglichen.
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Bei dieser Reaktion werden 2 Doppelbindungen zwischen
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Kohlenstoffatomen aufgebrochen und neu kombiniert, die.
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Eine Reaktion, die zuvor als chemisch fast unmöglich galt.
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Robber h. Grubbs, Eves Chauvin und Richard
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R. Schrock erhielten dafür im Jahr
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2005 gemeinsam den Nobelpreis für Chemie.
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Heute werden mit grubs Katalysatoren, Pharmazeutika,
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Kunststoffe wie spezielle Polynorborn inne und sogar
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geschlossene Naturstoffmoleküle synthetisiert, deren Aufbau ohne
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Metathese kaum vorstellbar wäre. Eine zukunftsweisende Anwendung
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ist die Wasserstoffwirtschaft. Rutheniumbasierte Katalysatoren
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werden für die Elektrokatalytische
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Wasserspaltung erforscht und können die Effizienz der Grünen
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Wasserstoffproduktion deutlich steigern.
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In Brennstoffzellen wirken ruthenium Platin Legierungen als
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Kohlenmonoxid tolerante Katalysatoren und ermöglichen
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den Betrieb mit weniger reinem Wasserstoff.
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In sogenannten Farbstoffsensibilisierten,
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Solarzellen, den Grätzelzellen, sind rutheniumbasierte
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Farbstoffe wie der berühmte n 3 oder n 719 Komplex der Schlüssel
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zur Lichtabsorption und damit zur Erzeugung von Solarstrom aus
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organischen Materialien. Auch in der Medizin gewinnt
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Ruthenium zunehmend an Bedeutung.
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Mehrere rutheniumhaltige Verbindungen werden derzeit als
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potentielle Krebsmedikamente klinisch erprobt.
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Substanzen wie KP 1019, NAMI, bindestrich a oder TLD 1433
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zeigen in Studien vielversprechende Wirkungen
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gegen verschiedene Tumorarten, häufig mit weniger
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Nebenwirkungen als die etablierten Platinhaltigen CIS
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Platin und Carbo Platin Therapien.
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TLLG 1433 wurde sogar als erstes ruthenium basiertes Medikament
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in eine klinische Phase 2 Studie zur photodynamischen Therapie
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von Blasenkrebs überführt. In der Augenheilkunde wird
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ruthenium 106, das radioaktive Isotop in Form von
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Strahlenapplikatoren zur Brachytherapie von
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Aderhautmelanomen eingesetzt. Einer seltenen Form von
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Augenkrebs. Die Behandlung gilt als so
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erfolgreich, dass das betroffene Auge in den meisten Fällen
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erhalten werden kann. Toxikologisch ist Ruthenium in
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seiner metallischen Form weitgehend unbedenklich, wegen
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seiner geringen Reaktivität und hohen Edelmetallnatur gilt es
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als biologisch innert. Vorsicht ist allerdings beim
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Umgang mit Rutheniumtetroxid geboten, das hochgradig giftig
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und stark oxidierend wirkt und ausschließlich unter
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professionellen Laborbedingungen verwendet werden darf.
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Ruthenium 106 als radioaktives Isotop unterliegt entsprechenden
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strahlenschutzrechtlichen Bestimmungen wirtschaftlich.
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Folgt der Ruthenium Preis den allgemeinen Trends der Platin
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Metalle mit zum Teil heftigen Schwankungen in den letzten
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Jahren bewegte sich der Preis pro Feinunze typischerweise
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zwischen 208 100 US Dollar mit einer steigenden Tendenz
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aufgrund der wachsenden Nachfrage aus der Halbleiter und
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Wasserstoffindustrie. Recycling spielt eine wichtige
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Rolle, vor allem aus alten Festplatten, Elektronikschrott
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und Industriekatalysatoren. Die Versorgung gilt allerdings
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als geopolitisch heikel, da die Förderung stark auf Südafrika
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und Russland konzentriert ist und die Europäische Union
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Ruthenium daher zu den kritischen Rohstoffen zählt.
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Wenn wir all diese Aspekte zusammenfassen, dann zeigt sich
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Rothenium als ein Element von erstaunlicher Reichweite.
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Es ist gleichzeitig der Härter im Eheringen, der Spacer in
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Festplatten, der Katalysator in der Ammoniaksynthese, der
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Lichtfänger in Farbstoffsolarzellen, das
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Werkzeug der Olefinmetathese und das Hoffnungsmolekül in der
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Krebstherapie. Es trägt seinen Beinamen als
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Platin Verwandter zurecht, denn es teilt mit seinen edlen
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Geschwistern die Korrosionsbeständigkeit, die
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Härte und die katalytische Brillanz, hat sich aber im 21
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Jahrhundert eine eigenständige Rolle erobert, die in vielen
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Bereichen über die seiner berühmteren verwandten
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Hinausweist. Und genau hier dürfen wir kurz
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innehalten. Die Geschichte des Rutheniums
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erinnert daran, wie eng moderne Hochtechnologie und globale
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Verantwortung verflochten sind. Ein Element, das fast
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ausschließlich in 2 Ländern der Erde gefördert wird.
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Das in Festplatten, in Ammoniakanlagen, in Solarzellen
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und in Krebsmedikamenten gleichermaßen unverzichtbar ist
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und das zugleich durch seine radioaktiven Isotope auf
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grenzüberschreitende Risiken aufmerksam macht, zeigt mehr als
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deutlich, wie sehr unsere Lebensgrundlagen heute auf
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internationale Kooperation, transparente Lieferketten und
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verlässliche wissenschaftliche Standards angewiesen sind.
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Die Fähigkeit, Rothenium 106 in Mikromengen über tausende
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Kilometer zu detektieren, ist letztlich eine demokratische
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Errungenschaft, denn sie setzt freie Forschung, offene Daten
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und das Vertrauen in unabhängige Institutionen voraus.
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Unsere Erde mit ihrer empfindlichen Atmosphäre und
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unsere demokratischen Gesellschaften, die uns
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Kontrolle, Aufklärung und gemeinsame Lösungen ermöglichen,
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sind das wertvollste Fundament unserer modernen Welt.
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Beide brauchen. Unsere Wache Aufmerksamkeit und
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unseren entschiedenen Schutz, damit auch zukünftige
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Generationen mit Neugier und Vertrauen auf die stillen
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Wirkungselemente unseres Periodensystems blicken können.
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Damit sind wir am Ende unserer Reise zum Element Ruthenium
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angekommen. Wir haben ein Metall
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kennengelernt. Dessen Name an die alte
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Bezeichnung Russlands erinnert und das doch in den Laboren und
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Fabriken aller Kontinente seine Spuren hinterlässt.
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Wir haben gesehen, wie es als jüngstes der Platinmetalle in
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den Härtelegierungen unseres Schmucks in den feinsten
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Schichten unserer Festplatten in den Katalysatoren der Grünen
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Chemie und in den Therapien gegen Krebs zu einem stillen
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Hoffnungsträger geworden ist. Vielleicht denkst du beim
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nächsten Klick auf eine Datei beim nächsten Blick auf einen
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Ehering oder bei der nächsten Nachricht über
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wasserstofftechnologie. Für einen kurzen Moment an
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dieses Element, das mit seiner unauffälligen, aber
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unvergleichlich vielseitigen Natur unsere Gegenwart prägt und
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unsere Zukunft mitgestalten wird.
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Vielen Dank, dass du dir Zeit genommen hast für diese Folge
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der Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente bis
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zum nächsten Mal. Wenn wir uns gemeinsam einem
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weiteren faszinierenden Element auf unserer Reise durch die Welt
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der Atome zuwenden.