عنصر روتنیم (Ruthenium) با نماد شیمیایی Ru، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن ۴۴ می باشد. این عنصر در حقیقت چهل و چهارمین عنصر از جدول تناوبی بوده که در گروه VIIIB و دوره پنجم جدول تناوبی قرار دارد. در واقع عنصر روتنیوم یک فلز واسطه نادر (Transition Metals) سخت و شکننده به رنگ سفید- نقره ای است. این فلز با عناصر آهن (Fe)، اوسمیوم (Os) و هاسیم (Hs)، در گروه هشت واسطه جدول تناوبی قرار گرفته است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر روتنیوم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- تاریخچه کشف عنصر روتنیم
۲- پیدایش و منابع عنصر شماره ۴۴ جدول تناوبی
۳- ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر روتنیم
۱-۳- گروه پلاتین جدول تناوبی
۴- ایزوتوپ های عنصر روتنیم
۵- کاربرد های عنصر روتنیم
۶- ترکیبات عنصر روتنیم
۷- خطرات روتنیم بر روی سلامتی انسان
تاریخچه کشف عنصر روتنیم
تاریخچه کشف عنصر روتنیم بسیار جالب است. برای نخستین بار در سال ۱۸۰۸ میلادی، شیمیدان لهستانی به نام اسنیادکی (Jedrzej Sniadecki) در حال بررسی بر روی سنگ معدن پلاتین در آمریکای جنوبی بود. او توانست یک فلز جدید را کشف کند. وی این عنصر جدید را وستیوم نامگذاری کرده بود. زمانیکه شیمیدانان فرانسوی تلاش کردند تا کار اسنیادکی را تکرار کنند، نتوانستند دوباره آن فلز را در سنگ معدن پلاتین پیدا کنند. هنگامیکه اسنیادکی این موضوع را فهمید، معتقد شد که احتمالا اشتباه کرده است. پس ادعای خود را پس گرفت.
سپس در سال ۱۸۴۴ میلادی، شیمیدان مشهور روسی یعنی کارل ارنست کلاوس (Karl Ernst Claus) شروع به مطالعه بر روی باقیمانده محلول بعد از تصفیه پلاتین خام نمود. در واقع وی در هنگام این بررسی، عنصر روتنیوم را از قسمتی از پلاتین خام که در محلول آبی تیزاب سلطانی (مخلوط اسید هیدروکریک و اسید نیتریک) غیر قابل حل بود، بدست آورد. کلاوس نام این عنصر از کلمه لاتین روتنیا (Ruthenia) به معنی روسیه که امروزه بخشی از اوکراین است، گرفته است. توجه داشته باشید که نمونه خالص عنصر روتنیم در سال ۱۸۴۴ میلادی توسط شیمیدان آلمانی، آیل هات میچرلیش به دست آمد.
پیدایش و منابع عنصر شماره ۴۴ جدول تناوبی
عنصر روتنیم یکی از نادرترین عناصر بر روی زمین است. این عنصر به شکل فلز آزاد در طبیعت در کوه های اورال، آمریکای شمالی، آمریکای جنوبی و آفریقای جنوبی یافت می شود. این فلز مانند سایر فلزات گروه پلاتین، از سنگ معدن پلاتین استخراج می شود. به علاوه این عنصر در کانی پنتلاندیت در منطقه سادبری اونتاریو و همچنین در نهشته های پیروکسینیت در جنوب آفریقا یافت می شود. این فلز گاهی اوقات با فلزات پلاتین، اوسمیم و ایریدیم نیز همراه است. همچنین با عناصر مس، نیکل و رسوبات (که از آن به صورت تجاری بازیافت می شود) نیز همراه می باشد. روتنیم همچنین می تواند از زباله های رادیواکتیو استخراج شود.
از نظر تجاری، این فلز به وسیله کمپلکس فرآیند های شیمیایی از طریق واکنش هیدروژن با کلرید روتنیوم آمونیوم به صورت پودر تولید می شود. این پودر در حقیقت به وسیله روش های متالورژی و جوش کاری قوسی با آرگون تهیه می گردد. دقت داشته باشید که تولید جهانی آن از ۱۹ تن به ۳۵ تن در سال رسیده است. علاوه بر آن، تخمین زده شده است که ذخایر آن حدود ۵۰۰۰ تن می باشد.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر روتنیم
عنصر روتنیوم، در واقع فلزی شکننده و کمیاب است. خصوصیات قابل توجه روتنیم از ساختار اتمی آن ([۳۶Kr] ۴d۷۵s۱) ناشی می شود. همانطور که مشخص است، اوربیتال d لایه ما قبل آخر در این عنصر در حال پر شدن است. این عنصر به واسطه آرایش الکترونی که دارد، در گروه فلزات واسطه قرار می گیرد. فلزات واسطه در میان فلزات قلیایی خاکی (گروه دوم) و عناصر گروه بور در جدول تناوبی قرار گرفته اند. به عناصر واسطه، عناصر گروه B نیز گفته می شود. توجه داشته باشید که روتنیوم تنها عنصر گروه هشت است که دو الکترون در لایه بیرونی خود ندارد. با توجه به آرایش الکترونی آن مشخص است که تنها یک الکترون در دورترین لایه الکترونی روتنیم وجود دارد.
لازم به ذکر است که عنصر روتنیم در دسته فلزات نجیب قرار دارد. فلزات نجیب در واقع به فلزاتی گفته می شود که در مقابل خوردگی و اکسیداسیون، به ویژه در آب و هوای مرطوب، مقاوم باشند. لیست کوتاه فلزات نجیب شامل عناصر روتنیوم، رودیم، پالادیوم، اوزیم، ایریدیم، پلاتین، نقره و طلا است. لیست های بزرگتر عناصر مس، رنیوم و جیوه را نیز شامل می شود. این فلزات در زمینه هایی مثل متالورژی، فناوری های پیشرفته و همچنین تزئیناتی همانند جواهرات، هنر، مقدسات و غیره مفید اند.
جالب است بدانید که
عنصر شماره ۴۴ جدول تناوبی، با آب، هوا و اسید ها واکنش نمی دهد، در حالیکه اکسید کننده ها بر آن موثر می باشند. به بیان دیگر، به وسیله اسید های گرم و سرد تغییری در آن ایجاد بوجود نمی آید. اما با اضافه شدن کلرید پتاسیم حل می شود و در حالت اکسیدی حتی منفجر می گردد. این ماده همچنین در قلیا های مذاب نیز حل می شود. همچنین این عنصر می تواند با هالوژن ها و هیدروکسید ها واکنش دهد. از دیگر ویژگی های عنصر روتنیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- حالت فیزیکی آن در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر به صورت جامد است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر به ترتیب ۲۳۳۴ و ۴۱۵۰ درجه سانتی گراد است.
- عنصر روتنیم در هوا به سرعت اکسید نمی شود. بنابراین به آسانی تیره نمی گردد. اما در دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتی گراد اکسید می شود.
- عنصر روتنیم شامل چهار کریستال تغییر شکل یافته است.
- عنصر روتنیوم یک کاتالیزور چند کاره است.
- ساختار بلوری آن به شکل شش گوشه (Hexagonal) است.
- این عنصر آلوتروپ ندارد.
- جرم اتمی روتنیم برابر با ۱۰۱.۰۷ g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با ۱۲.۴۵ g/cm۳ می باشد.
- یون های روتنیم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد -۲، -۴، ۰، +۱، +۲، +۳، +۴، +۵، +۶ ، +۷ و +۸ دارند. در حقیقت یک اکسید اسیدی ملایم محسوب می شود. اعداد اکسایش ۰، +۳ و +۴ متداول تر می باشند.
- اولین انرژی یونیزاسیون آن برابر با ۷۱۰.۲ kJ/mol است.
گروه پلاتین جدول تناوبی
به خاطر مقاومت ویژه عنصر روتنیم در برابر خوردگی و از جلا افتادن، این عنصر یكی از فلزات گروه پلاتین محسوب می شود. در واقع فلزات خانواده پلاتین شامل شش فلز واسطه یعنی پلاتین، پالادیم، رودیم، روتنیوم، ایریدیوم و اوسمیوم است. این فلزات دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مشابه ای هستند. در نتیجه اغلب ذخایر معدنی مشابهی نیز دارند. فلزات خانواده پلاتین را می توان به دو زیر گروه، گروه ایریدیوم (اوسمیوم، ایریدیوم و روتنیوم) و گروه پالادیم (پلاتین، پالادیم و رودیم) تقسیم بندی کرد.
همه فلزات گروه پلاتین در حقیقت از کمیاب ترین و همچنین گران بها ترین فلزات محسوب می شوند. تمامی آنها وزن مخصوص بسیار بالایی دارند (به جز عنصر پالادیوم). عنصر روتنیوم مانند سایر فلزات خانواده پلاتین، نسبت به مواد شیمیایی مقاوم می باشد. به علاوه مقاومت بسیار بالایی در مقابل خوردگی و تیره شدن دارد. این عناصر تحمل حرارتی فوق العاده ای را نشان می دهند. همچنین مشخصات الکتریکی آنها پایدار است.
ایزوتوپ های عنصر روتنیم
همانطور که قبلا بیان شده است، ایزوتوپ های یک عنصر، در تعداد نوترون ها با هم تفاوت دارند. عنصر روتنیوم ایزوتوپ های زیادی دارد. هفت ایزوتوپ از آنها پایدار اند که عبارتند از : ۱۰۰Ru (12.6 %) , ۱۰۱Ru (17.06 %) , ۱۰۲Ru (31.55 %) , ۱۰۴Ru (18.62 %) , ۹۶Ru (5.54 %) , ۹۸Ru (1.87 %) , ۹۹Ru (12.76 %). علاوه بر هفت ایزوتوپ پایدار ذکر شده، ۳۴ ایزوتوپ رادیواکتیو نیز برای روتنیوم کشف شده است. از بین آنها، ۱۰۶Ru با نیمه عمر ۳۷۳/۵۹ روز پایدار ترین ایزوتوپ پرتوزای روتنیم محسوب می شود.
کاربرد های عنصر روتنیم
عنصر روتنیم یکی از کمیاب ترین عناصر شیمیایی است که کاربرد های ویژه ای در صنعت الکترونیک و هم در صنایع شیمیایی دارد. به عنوان مثال از این عنصر برای تقویت بقیه آلياژ ها استفاده می کنند. در این صورت، سختی و مقاومت حرارتی آنها را افزایش می دهد. این آلیاژ ها اغلب شامل دیگر فلزات نجیب می باشند. مثلا از مقادیر کم روتنیم برای سخت کردن آلیاژ های دو عنصر پلاتین و پالادیوم استفاده می شود. به بیان دیگر، روتنیم یکی از بهترین مکمل ها برای این دو عنصر است. با تشکیل آلیاژ، تماس های الکتریکی با مقاومت زیاد سایش ایجاد می شود. مقاومت در برابر خوردگی و فرسایش عنصر تیتانیم نیز تنها با افزایش ۰/۱ درصدی عنصر روتنیم، تا صد برابر افزایش می دهد. از طرفی دیگر، آلیاژ روتنیم- مولیبدن در دمای ۱۰ کلوین یک فوق رسانا است.
لازم به ذکر است که بیشترین مقدار روتنیوم تولید شده، در کنتاکت های الکتریکی مقاوم در برابر سایش و همچنین مقاومت های لایه-ضخیم بکار می رود. عنصر روتینیم خاصیت کاتالیزوری نیز دارد. مثلا به عنوان کاتالیزگر سخت کننده برای پلاتین و پالادیوم در کاربرد های جواهر سازی و ساخت ابزاری با نوک یه لبه تیز استفاده می شود. یا به عنوان کاتالیزور عامل تثبیت نیتروژن، در تهیه تعدادی از آلیاژ های ویژه ضد خوردگی بکار می رود. از ترکیبات آن به شکل پودر رنگ در شیشه و لعاب های شیشه‌ای بهره می برند. علاوه بر آن، در ساخت اتصالات الکتریکی و نوک خودنویس نیز از این فلز استفاده می کنند.
جالب است بدانید که
عنصر شماره ۴۴ جدول تناوبی، روتنیم در پزشکی نیز کاربرد دارد، مثلا ایزوتوپ ۱۰۶Ru آن در رادیوتراپی سلول های بدخیم و سرطانی چشم کاربرد دارد. به علاوه، روتنیوم برای تعیین سطح کلسی تونین در خون بکار می رود. تعیین سطح کلسی تونین در تشخیص و درمان بیماری های مربوط به غدد تیروئید و پاراتیروئید مفید و ضروری است. از دیگر کاربرد های ترکیبات روتنیم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- جهت آبکاری های الکتریکی
- در تولید کلر به روش برقکافت
- مقاوم سازی تراشه ها
- در ساخت وسایل پزشکی
- در ساخت سلول های خورشیدی
- برای ایجاد مقاومت
- در توربین های موتور های جت
- در روش حفاظت کاتدی از سازه های زیرزمینی
- به عنوان جز اصلی در آلیاژ های اتصال برقی
- به منظور سلول های الکترولیتی جهت پروسه هایی مثل تولید کلر از آب شور
- به منظور رنگ آمیزی مولکول های پلیینونی همچون پکتین و اسید های نوکلئیک برای میکروسکوپ های نوری و میکروسکوپ های الکترونی
- استفاده از روتنیوم به عنوان لایه درپوش برای فوتوماسک های فرابنفش
ترکیبات عنصر روتنیم
همانطور که بیان شد اکسید روتنیوم از مهمترین ترکیبات فلز روتنیوم است. این اکسید ها در حقیقت کاتالیزور های متنوعی می باشند. توجه داشته باشید که تترا اکسید روتنیم بسیار سمی است. رونتیم با پنت آمین ها واکنش داده و می تواند مجموعه کئوردیناسیونی متفاوتی را ایجاد نماید. همچنین با مشتقات پیریدین واکنش می دهد و کلرید تریس (بی پیریدین) روتنیم (II) تشکیل می شود. از طرفی، روتنیم می تواند با ترکیبات حاوی کربن نیز واکنش دهد. از دیگر ترکیبات آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- دی اکسید روتنیم (RuO۲)
- تترا اکسید روتنیم (RuO۴)
- دی کلرید روتنیم (RuCl۲)
- تری کلرید روتنیم (RuCl۳)
- پنتا فلورئید روتنیم (RuF۵)
- تترا پروپیل آمونیوم پروتنات (C۱۲H۲۸NRuO۴)
- تری روتنیم دودکا کربونیل (C۱۲O۱۲Ru۳)
- کاتالیزور گروبز (C۴۳H۷۲Cl۲P۲Ru)
- دی کربوکسیل تریس (تری فنیل فسفین) روتنیوم (C۵۶H۴۵O۲P۳Ru)
- دی کلرو تتراکیس (دی متیل سولفوکسید) روتنیم (II) (C۸H۲۴Cl۲O۴RuS۴)
- کلرو (سیکلو پنتا دی انیل) بیس (تری فنیل فسفین) روتنیوم (C۴۱H۳۵ClP۲Ru)
- تریس (بی پیریدین) روتنیم (II) لرید (C۳۰H۲۴N۶Cl۲Ru·۶H۲O)
- دی کلرو تریس (تری فنیل فسفین) روتنیوم (II) (C۵۴H۴۵Cl۲P۳Ru)
- روتنوسن (C۱۰H۱۰Ru)
خطرات روتنیم بر روی سلامتی انسان
انسان ها به ندرت در تماس با ترکیبات روتینیوم قرار می گیرند. تمامی ترکیبات روتنیوم سمیت بالایی دارند و سرطان زا می باشند. این ترکیبات بر روی پوست باقی مانده و سبب لکه دار شدن پوست و آسیب های جدی به آن می شوند. به عبارت دیگر، ترکیبات روتنیم می توانند رنگ پوست را از بین ببرند. در صورت مصرف روتینیوم، این عنصر در استخوان ها باقی می ماند. همانطور که بیان شد، اکسید روتینیم (RuO۴) بسیار سمی و فرار است، بنابراین باید حتما از آن دوری کرد. لازم به ذکر است که اثر منفی روتنیوم بر روی محیط زیست تا امروز گزارش نشده است.
ایزوتوپ ۱۰۶Ru، یکی از رادیو نوکلیدهایی است که در طی آزمایش های جوی سلاح های اتمی بوجود می آید. این ایزوتوپ از جمله رادیو نوکلیدهای دارای دوام طولانی است. در صورت تولید و تداوم تولید آن می تواند تا ده ها و یا حتی صد ها سال، خطر سرطان را افزایش دهد.
