RHODIUM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG, RISIKEN - CHEMIE - 2025

Das Rhodium ist ein Übergangsmetall, das zur Gruppe der Palladium gehört und dessen chemisches Symbol Rh ist. Es ist edel, unter normalen Bedingungen inert, während es selten und teuer ist, da es das am zweithäufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste ist. Es gibt auch keine Mineralien, die eine rentable Methode zur Gewinnung dieses Metalls darstellen.

Obwohl es wie ein typisches silberweißes Metall aussieht, haben die meisten seiner Verbindungen eine gemeinsame rötliche Färbung, zusätzlich zu der Tatsache, dass ihre Lösungen rosafarbene Töne aufweisen. Deshalb erhielt dieses Metall den Namen "Rhodon", griechisch für "Pink".

Metallische Rhodiumperle. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Seine Legierungen sind jedoch sowohl Silber als auch teuer, da es mit Platin, Palladium und Iridium gemischt wird. Sein hoher edler Charakter macht es zu einem Metall, das nahezu oxidationsunempfindlich und absolut resistent gegen Angriffe durch starke Säuren und Basen ist. Daher tragen ihre Beschichtungen zum Schutz von Metallgegenständen wie Schmuck bei.

Zusätzlich zu seiner dekorativen Verwendung kann Rhodium auch Werkzeuge schützen, die bei hohen Temperaturen und in elektrischen Geräten verwendet werden.

Es ist im Volksmund am besten dafür bekannt, giftige Autogase (NO _x ) in Katalysatoren abzubauen . Es katalysiert auch die Produktion von organischen Verbindungen wie Menthol und Essigsäure.

Interessanterweise existiert es in der Natur nur als ¹⁰³ Rh- Isotop , und seine Verbindungen lassen sich aufgrund seines edlen Charakters leicht zu Metall reduzieren. Von allen Oxidationszahlen ist +3 (Rh ³⁺ ) am stabilsten und am häufigsten, gefolgt von +1 und in Gegenwart von Fluor +6 (Rh ⁶⁺ ).

In seinem metallischen Zustand ist es für unsere Gesundheit harmlos, es sei denn, seine in der Luft verteilten Partikel werden eingeatmet. Seine gefärbten Verbindungen oder Salze gelten jedoch als krebserregend und sind nicht nur stark an die Haut gebunden.

Geschichte

Die Entdeckung von Rhodium ging mit der von Palladium einher. Beide Metalle wurden von demselben Wissenschaftler entdeckt: dem englischen Chemiker William H. Wollaston, der 1803 ein angeblich aus Peru stammendes Platinmineral untersuchte.

Ich wusste von Hippolyte-Victor Collet-Descotils, einem französischen Chemiker, dass Platinmineralien rötliche Salze enthielten, deren Farbe wahrscheinlich auf ein unbekanntes metallisches Element zurückzuführen war. Also verdaute Wollaston sein Platinerz in Königswasser und neutralisierte dann den Säuregehalt der resultierenden Mischung mit NaOH.

Aus dieser Mischung hatte Wollaston mittels Fällungsreaktionen die Metallverbindungen abzutrennen; Er trennte Platin als (NH ₄ ) ₂ nach Zugabe von NH ₄ Cl und anderen Metallen, die er mit metallischem Zink reduzierte. Er versuchte, diese schwammigen Metalle mit HNO ₃ aufzulösen , wobei zwei Metalle und zwei neue chemische Elemente zurückblieben: Palladium und Rhodium.

Als er jedoch Königswasser hinzufügte, bemerkte er, dass sich ein Metall kaum auflöste und gleichzeitig mit NaCl einen roten Niederschlag bildete: Na ₃ nH ₂ O. Daher kam sein Name: die rote Farbe seiner Verbindungen, bezeichnet mit dem Griechisches Wort "Rhodon".

Dieses Salz wurde erneut mit metallischem Zink reduziert, wodurch schwammiges Rhodium erhalten wurde. Und seitdem verbesserten sich die Gewinnungstechniken ebenso wie die Nachfrage und die technologischen Anwendungen und es erschienen schließlich glänzende Rhodiumstücke.

Eigenschaften

Aussehen

Hartes, silberweißes Metall mit praktisch keiner Oxidschicht bei Raumtemperatur. Es ist jedoch kein sehr formbares Metall, was bedeutet, dass es beim Schlagen reißt.

Molmasse

102,905 g / mol

Schmelzpunkt

1964 ° C. Dieser Wert ist höher als der von Kobalt (1495 ºC), was eine Zunahme der Festigkeit der stärksten Metallbindung beim Abstieg durch die Gruppe widerspiegelt.

Schmelzpunkt

3695 ° C. Es ist eines der Metalle mit den höchsten Schmelzpunkten.

Dichte

-12,41 g / ml bei Raumtemperatur

-10,7 g / ml am Schmelzpunkt, dh genau dann, wenn es schmilzt oder schmilzt

Schmelzwärme

26,59 kJ / mol

Verdampfungswärme

493 kJ / mol

Molare Wärmekapazität

24,98 J / (mol K)

Elektronegativität

2,28 auf der Pauling-Skala

Ionisierungsenergien

- Erstens: 719,7 kJ / mol (Rh ⁺ gasförmig)

- Sekunde: 1740 kJ / mol (Rh ²⁺ gasförmig)

- Drittens: 2997 kJ / mol (Rh ³⁺ gasförmig)

Wärmeleitfähigkeit

150 W / (m K)

Elektrischer widerstand

43,3 nΩm bei 0 ° C.

Mohs Härte

6

Magnetische Ordnung

Paramagnetisch

Chemische Reaktionen

Obwohl Rhodium ein Edelmetall ist, bedeutet es nicht, dass es ein inertes Element ist. Unter normalen Bedingungen rostet es kaum; Wenn es jedoch über 600 ºC erhitzt wird, beginnt seine Oberfläche mit Sauerstoff zu reagieren:

Rh (s) + O ₂ (g) → Rh ₂ O ₃ (s)

Und das Ergebnis ist, dass das Metall seinen charakteristischen Silberglanz verliert.

Es kann auch mit Fluorgas reagieren:

Rh (s) + F ₂ (g) → RhF ₆ (s)

Der RhF ₆ hat eine schwarze Farbe. Wenn es erhitzt wird, kann es sich in RhF ₅ umwandeln und Fluorid an die Umwelt abgeben . Wenn die Fluorierungsreaktion unter trockenen Bedingungen durchgeführt wird, wird die Bildung von RhF ₃ (roter Feststoff) gegenüber der von RhF ₆ bevorzugt . Die anderen Halogenide: RhCl ₃ , RhBr ₃ und RhI ₃ werden auf ähnliche Weise gebildet.

Das vielleicht überraschendste an metallischem Rhodium ist seine extreme Beständigkeit gegen Angriffe durch ätzende Substanzen: starke Säuren und starke Basen. Königswasser, ein konzentriertes Gemisch aus Salz- und Salpetersäure, HCl-HNO ₃ , kann sich schwer auflösen, was zu einer rosafarbenen Lösung führt.

Geschmolzene Salze wie KHSO ₄ lösen es wirksamer auf, da sie zur Bildung wasserlöslicher Rhodiumkomplexe führen.

Struktur und elektronische Konfiguration

Die Rhodiumatome kristallisieren in der flächenzentrierten kubischen Struktur fcc. Rh-Atome bleiben dank ihrer metallischen Bindung vereint, einer Kraft, die auf Makroebene für die messbaren physikalischen Eigenschaften von Metall verantwortlich ist. In diese Bindung greifen die Valenzelektronen ein, die sich nach der elektronischen Konfiguration ergeben:

4d ⁸ 5s ¹

Es handelt sich also um eine Anomalie oder Ausnahme, da erwartet wird, dass zwei Elektronen im 5s-Orbital und sieben im 4d-Orbital vorhanden sind (gemäß dem Moeller-Diagramm).

Es gibt insgesamt neun Valenzelektronen, die zusammen mit den Atomradien den fcc-Kristall definieren. Struktur, die sehr stabil zu sein scheint, da nur wenige Informationen über andere mögliche allotrope Formen unter verschiedenen Drücken oder Temperaturen gefunden werden.

Diese Rh-Atome bzw. ihre kristallinen Körner können so interagieren, dass Nanopartikel mit unterschiedlichen Morphologien entstehen.

Wenn diese Rh-Nanopartikel auf einem Templat (z. B. einem Polymeraggregat) wachsen, erhalten sie die Formen und Abmessungen seiner Oberfläche. Daher wurden mesoporöse Rhodiumkugeln entwickelt, um das Metall bei bestimmten katalytischen Anwendungen zu ersetzen (die chemische Reaktionen beschleunigen, ohne dabei verbraucht zu werden).

Oxidationszahlen

Da es neun Valenzelektronen gibt, ist es normal anzunehmen, dass Rhodium in seinen Wechselwirkungen innerhalb einer Verbindung „alle verlieren“ kann; das heißt, unter der Annahme der Existenz des Rh ⁹⁺ -Kations mit einer Oxidationszahl oder einem Oxidationszustand von 9+ oder (IX).

Die positiven und gefundenen Oxidationszahlen für Rhodium in seinen Verbindungen reichen von +1 (Rh ⁺ ) bis +6 (Rh ⁶⁺ ). Von allen sind +1 und +3 neben +2 und 0 (metallisches Rhodium, Rh ⁰ ) am häufigsten .

Zum Beispiel beträgt in Rh ₂ O ₃ die Oxidationszahl von Rhodium +3, da, wenn Sie die Existenz von Rh ³⁺ und einen 100% igen ionischen Charakter annehmen , die Summe der Ladungen gleich Null ist (Rh ₂ ³⁺⁾ Oder ₃ ^2- ).

Ein weiteres Beispiel ist RhF ₆ , bei dem die Oxidationszahl nun +6 beträgt. Auch hier bleibt nur die Gesamtladung der Verbindung neutral, wenn die Existenz von Rh ⁶⁺ (Rh ⁶⁺ F ₆ ^- ) angenommen wird .

Je elektronegativer das Atom ist, mit dem Rhodium interagiert, desto größer ist seine Tendenz, positivere Oxidationszahlen zu zeigen. Dies ist der Fall bei RhF ₆ .

Im Fall von Rh ⁰ entspricht es seinen Atomen des Kristalls fcc, die mit neutralen Molekülen koordiniert sind; zum Beispiel CO, Rh ₄ (CO) ₁₂ .

Wie wird Rhodium gewonnen?

Nachteile

Im Gegensatz zu anderen Metallen gibt es kein Mineral, das reich genug an Rhodium ist, um wirtschaftlich daraus gewonnen zu werden. Deshalb ist es eher ein Nebenprodukt der industriellen Produktion anderer Metalle; speziell die Edlen oder ihre Kongenere (die Elemente der Platingruppe) und Nickel.

Die meisten als Rohstoffe verwendeten Mineralien stammen aus Südafrika, Kanada und Russland.

Der Herstellungsprozess ist komplex, da Rhodium, obwohl es inert ist, in Gesellschaft anderer Edelmetalle gefunden wird und Verunreinigungen aufweist, die schwer zu entfernen sind. Daher müssen mehrere chemische Reaktionen durchgeführt werden, um es von der anfänglichen mineralogischen Matrix zu trennen.

Prozess

Seine geringe chemische Reaktivität hält es unverändert, während die ersten Metalle extrahiert werden. bis nur noch die Adligen übrig sind (das Gold unter ihnen). Dann werden diese Edelmetalle in Gegenwart von Salzen wie NaHSO ₄ behandelt und geschmolzen , um sie in einer flüssigen Mischung von Sulfaten zu haben; in diesem Fall Rh ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Zu dieser Mischung von Sulfaten, aus denen jedes Metall durch verschiedene chemische Reaktionen getrennt ausgefällt wird, wird NaOH zu Rhodiumhydroxid Rh (OH) _{x gegeben} .

Das Rh (OH) _x wird durch Zugabe von HCl wieder aufgelöst, um H ₃ RhCl ₆ zu bilden , das noch gelöst ist und eine rosa Farbe zeigt. Dann reagiert H ₃ RhCl ₆ mit NH ₄ Cl und NaNO ₂ und fällt als (NH ₄ ) _{3 aus} .

Wiederum wird der neue Feststoff in mehr HCl wieder gelöst und das Medium erhitzt, bis ein Schwamm aus metallischem Rhodium ausfällt, während die Verunreinigungen verbrannt werden.

Anwendungen

Beschichtungen

Kleiner, silberner, rhodinierter Kontrabass. Quelle: Mauro Cateb (https://www.flickr.com/photos/mauroescritor/8463024136)

Sein edler Charakter wird verwendet, um Metallteile mit einer Beschichtung derselben zu bedecken. Auf diese Weise werden Silberobjekte mit Rhodium beschichtet, um es vor Oxidation und Verdunkelung (Bildung einer schwarzen Schicht aus AgO und Ag ₂ S) sowie vor Reflexion (Glanz) zu schützen .

Solche Beschichtungen werden in Schmuckbekleidung, Reflektoren, optischen Instrumenten, elektrischen Kontakten und Röntgenfiltern in der Brustkrebsdiagnostik verwendet.

Legierungen

Es ist nicht nur ein Edelmetall, sondern auch ein hartes. Diese Härte kann zu den Legierungen beigetragen werden, aus denen es besteht, insbesondere wenn es um Palladium, Platin und Iridium geht; von denen sind die von Rh-Pt die bekanntesten. Rhodium verbessert auch die Beständigkeit dieser Legierungen gegenüber hohen Temperaturen.

Beispielsweise werden Rhodium-Platin-Legierungen als Material verwendet, um Gläser herzustellen, die geschmolzenes Glas formen können; bei der Herstellung von Thermoelementen, die hohe Temperaturen (über 1000 ºC) messen können; Tiegel, Buchsen zur Reinigung von Glasfaser, Induktionsofenspulen, Flugzeugturbinentriebwerken, Zündkerzen usw.

Katalysatoren

Katalysator eines Autos. Quelle: Ballista

Rhodium kann Reaktionen entweder als reines Metall katalysieren oder mit organischen Liganden (Organorodien) koordiniert werden. Die Art des Katalysators hängt von der zu beschleunigenden spezifischen Reaktion sowie von anderen Faktoren ab.

Beispielsweise kann es in seiner metallischen Form die Reduktion von Stickoxiden, NO _x , zu den Umgebungsgasen Sauerstoff und Stickstoff katalysieren :

2 NO _x → x O ₂ + N ₂

Diese Reaktion findet täglich statt: in den Katalysatoren von Fahrzeugen und Motorrädern. Dank dieser Reduzierung verschmutzen NO _x -Gase Städte nicht in schlechterem Maße. Zu diesem Zweck wurden mesoporöse Rhodium-Nanopartikel verwendet, die die Zersetzung von NO _x -Gasen weiter verbessern .

Die als Wilkinson-Katalysator bekannte Verbindung wird zur Hydrierung (Zugabe von H ₂ ) und Hydroformylierung (Zugabe von CO und H ₂ ) von Alkenen zur Bildung von Alkanen bzw. Aldehyden verwendet.

Rhodiumkatalysatoren werden kurz zum Hydrieren, Carbonylieren (Zugabe von CO) und Hydroformylieren verwendet. Das Ergebnis ist, dass viele Produkte von ihnen abhängig sind, wie dies bei Menthol der Fall ist, einer essentiellen chemischen Verbindung in Kaugummi. Neben Salpetersäure ua Cyclohexan, Essigsäure, Organosilicium.

Risiken

Rhodium ist ein Edelmetall, selbst wenn es in unseren Körper eindringt, können seine Rh-Atome (soweit bekannt) nicht metabolisiert werden. Daher stellen sie kein Gesundheitsrisiko dar; Es sei denn, es sind zu viele Rh-Atome in der Luft verteilt, die sich in Lunge und Knochen ansammeln könnten.

Tatsächlich sind Juweliere bei der Rhodinierung von Schmuck oder Silberschmuck diesen „Luftstößen“ ausgesetzt; Grund, aus dem sie unter Beschwerden in ihren Atemwegen gelitten haben. In Bezug auf das Risiko seines feinteiligen Feststoffs ist es nicht einmal brennbar; außer beim Brennen in Gegenwart von OF ₂ .

Rhodiumverbindungen werden als giftig und krebserregend eingestuft, deren Farben die Haut tief färben. Hier ist ein weiterer deutlicher Unterschied darin, wie sich die Eigenschaften eines Metallkations im Vergleich zu dem Metall davon unterscheiden.

Und schließlich macht es in ökologischer Hinsicht aufgrund des geringen Rhodiumreichtums und der mangelnden Assimilation durch Pflanzen zu einem harmlosen Element bei Verschüttungen oder Abfällen. solange es metallisches Rhodium ist.

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