44. Ruthenium (Ru) - Der Platin-Verwandte

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren heute begeben wir uns auf eine Reise zu einem Element, das auf den ersten Blick im Schatten seiner berühmteren Verwandten steht. Wenn wir an Edelmetalle denken, fallen den meisten Menschen sofort Gold, Silber und Platin ein. Dabei gibt es eine ganze Familie von Edelmetallen, die in vielen modernen Technologien eine zentrale Rolle spielen, deren Namen aber nur den Wenigsten geläufig sind. Eines dieser stillen Wirkungselemente ist ein silbergraues Metall, das einen

0:52 besonderen Bezug zu Russland hat, das in den Härtelegierungen der besten Füllfederhalterspitzen steckt, das den nächsten großen Sprung in der Halbleiterindustrie ermöglichen könnte und das in den Forschungslaboren der Welt als einer der vielseitigsten Katalysatoren überhaupt gilt. Heute geht es um Ruthenium mit dem chemischen Symbol RU und der Ordnungszahl 44. Lass uns gemeinsam ein Element kennenlernen, das zur Familie der Platin Metalle gehört, das als jüngstes Mitglied dieser Gruppe entdeckt wurde und das in der modernen Materialforschung, in der Energiewende und sogar in der Krebstherapie eine immer wichtigere Rolle spielt.

1:39 Ruthenium steht im Periodensystem in der fünften Periode und in der achten Gruppe, die in der älteren Nomenklatur als Eisengruppe bezeichnet wurde. In der modernen Einteilung gehört es zur Gruppe der Übergangsmetalle und bildet zusammen mit Eisen, Osmium und dem künstlich erzeugten Hassium eine vertikale Familie.

2:03 Mit der Ordnungszahl 44 sitzt es zwischen Technetium und Rhodium und nimmt damit einen Platz mitten in der Reihe der Platinmetalle ein. Diese 6 Elemente, also ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin, werden auch als die Platin Gruppenmetalle, kurz Pgm, für Platinum Group Metals. Zusammengefasst und teilen sich viele charakteristische Eigenschaften wie hohe Dichte, ausgeprägte Korrosionsbeständigkeit und herausragende katalytische Wirkung.

2:41 Die Elektronenkonfiguration von Ruthenium lautet in der Kurzschreibweise Krypton plus 4 d hoch 7 und 5 s hoch 1. Auch hier zeigt sich wieder die für Übergangsmetalle typische Bevorzugung der d Schale. Die zu einer Vielzahl möglicher Oxidationsstufen führt. Ruthenium kann in seinen Verbindungen oxidationsstufen von -2 bis plus 8 annehmen, wobei die Stufen plus 2, + 3 und plus 4 am häufigsten Vorkommen.

3:15 Diese außergewöhnliche Vielfalt, insbesondere das Auftreten der höchsten möglichen Oxidationsstufe Plus 8 im Rutheniumtetroxid. Macht das Element zu einem der chemisch vielseitigsten Vertreter des gesamten Periodensystems und ist die Grundlage für seine herausragende Bedeutung in der Katalyse. Die Atommasse von Ruthenium beträgt rund 101,07 atomare Masseneinheiten und in der Natur kommt es in 7 stabilen Isotopen vor, die. Die häufigsten sind Ruthenium, 102 mit etwa 31,6% Anteil, ruthenium 104 mit rund 18,6% und ruthenium 101 mit 17,1%. Die isotopische Vielfalt macht Ruthenium auch in der nuklearen Forensik interessant, denn die Isotopenverhältnisse können Hinweise auf die Herkunft einer

4:11 Probe liefern, die. Tatsächlich wurde Ruthenium 106, ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von rund 374 Tagen im Herbst 2017 in der Atmosphäre über weiten Teilen Europas in erhöhten Konzentrationen nachgewiesen. Die Spurenanalyse deutete auf eine Freisetzung im südlichen Ural hin. Vermutlich in einer Wiederaufarbeitungsanlage, ohne dass jemals offiziell bestätigt wurde, was genau geschehen war. Dieses Ereignis zeigte eindrucksvoll, wie empfindlich moderne Messtechnik, selbst kleinste Mengen radioaktiver Isotope erfassen kann.

5:07 Reines metallisches Ruthenium ist ein Silbergraues, sehr hartes und sprödes Metall mit einer Dichte von 12,45 Gramm pro Kubikzentimeter. Es schmilzt bei 2334 Grad Celsius und siedet bei rund 4150 Grad Celsius und gehört damit zu den Refraktärmetallen, also den hochschmelzenden Metallen. Mit einer Mooshärte von 6,5 ist es eines der härtesten Edelmetalle überhaupt. Härter als reines Eisen und vergleichbar mit gehärtetem Stahl.

5:44 Diese Härte ist auch der Grund für seine Verwendung in besonders verschleißfesten Legierungen, auf die wir gleich noch eingehen werden. Eine bemerkenswerte physikalische Besonderheit von Ruthenium liegt in seinem magnetischen Verhalten, während Eisen. Kobalt und Nickel als die klassischen Ferromagnete gelten, zeigt Ruthenium bei Raumtemperatur paramagnetisches Verhalten, dünne Rutheniumschichten und bestimmte Verbindungen weisen jedoch interessante magnetische Eigenschaften auf, die in der Spinntronik genutzt werden.

6:22 Tatsächlich wurde 2018 in einer Aufsehen erregenden Studie berichtet. Das eine spezielle hexagonale Phase von dünnen Rutheniumfilmen bei Raumtemperatur ferromagnetische Eigenschaften zeigt, womit Ruthenium, das vierte ferromagnetische Element bei Raumtemperatur sein könnte. Diese Befunde sind bis heute Gegenstand intensiver Forschung und könnten neue Wege in der Datenspeichertechnologie eröffnen. Chemisch ist Ruthenium ein typisches Edelmetall. Es ist an Luft, bei Raumtemperatur vollständig beständig und reagiert nicht mit Wasser. Säuren einschließlich Königswasser können kompaktes Ruthenium bei Raumtemperatur kaum angreifen, was es zu einem der korrosionsbeständigsten Elemente überhaupt macht. Lediglich Oxidierende schmelzen,

7:18 etwa Kaliumhydroxid mit Kaliumnitrat oder Kaliumchlorat. Lösen das Metall unter Bildung von Rutenat salzen auf dieses Verfahren der oxidativen alkalischen Schmelze ist auch der Schlüssel zur industriellen Gewinnung von Ruthenium aus Erzkonzentraten. Die hochreaktive Verbindung Rutheniumtetroxid mit der Summenformel RUO 4 ist eine der ungewöhnlichsten Substanzen der anorganischen Chemie.

7:50 Sie ist bei Raumtemperatur ein gelblicher, flüchtiger Feststoff mit einem Schmelzpunkt von rund 25 Grad Celsius, ist hochgradig giftig, kann sich explosionsartig zersetzen und wird in der organischen Chemie als starkes Oxidationsmittel für besonders schwierige Reaktionen eingesetzt. Wenden wir uns nun der Geschichte der Entdeckung dieses Elements zu. Denn diese ist eng mit der Wissenschaftsgeschichte des östlichen Europas verknüpft.

8:22 Bereits 1808 untersuchte der polnische Chemiker Jensej Schnadetzki Platinerse aus Südamerika und glaubte, ein neues Element gefunden zu haben, das er Vestium nannte, nach dem Asteroiden Vesta. Andere Forschende konnten seine Ergebnisse jedoch nicht reproduzieren und schnyadecki zog seine Behauptung schließlich zurück.

8:47 Im Jahr 1827 untersuchten die Chemiker Gottfried Wilhelm Ozan und Jöns Jacob Bercelius Platin Erze aus dem Ural und identifizierten darin angeblich 3 neue Elemente, die Ozan Pluran, Polin und Ruthain nannte. Bercelius konnte diese Befunde jedoch nicht bestätigen und auch hier verschwand der Name zunächst wieder aus der wissenschaftlichen Literatur. Die endgültige Entdeckung gelang erst 1844 dem in Riga geborenen Chemiker Carl Ernst Klaus an der Universität Kazan im heutigen Russland.

9:30 Claus arbeitete systematisch mit den Rückständen, die bei der Verarbeitung von Platinerzen aus dem Ural anfielen, und konnte aus diesen schwarzen Pulverresten ein bisher unbekanntes Element isolieren. Er bestätigte damit teilweise osans frühere Beobachtungen und übernahm dessen Namensvorschlag Rutaine, leitete diesen aber bewusst vom lateinischen Wort ruthenia ab. Das im Mittelalter für die Region des Kiewer Russ und später allgemein für Russland verwendet wurde. Damit ehrte Klaus sein Heimatland, in dem die wichtigsten damals bekannten Platin Vorkommen lagen. Sein Befund wurde von der internationalen Fachwelt rasch akzeptiert und Ruthenium wurde damit das letzte der 6 Platin Gruppen Metalle, das in das

10:23 Periodensystem eingeordnet wurde. Wenden wir uns nun dem Vorkommen in der Natur zu. Ruthenium ist mit einem geschätzten Anteil von etwa 0,001 Milligramm pro Kilogramm in der kontinentalen Erdkruste eines der seltensten stabilen Elemente überhaupt in der gleichen Größenordnung wie Iridium und Rhodium.

10:46 In der Natur kommt es selten gediegen vor. Also in elementarer Form, häufiger jedoch in Mischungen mit anderen Platingruppenmetallen, etwa in Mineralien wie Laurit, einem Rutheniumsulfid oder als Beimengung in Osmiridium und Iridosmin. Die wichtigsten Lagerstätten der Welt liegen in Südafrika, genauer im Buschweltkomplex, einer riesigen geologischen Formation, die schätzungsweise 75% der weltweit bekannten Platinmetallreserven enthält. Weitere bedeutende Vorkommen finden sich in Russland vor allem im Norilsktalnachdistrikt in Sibirien. In Kanada, in der Sudbury Region, in Onterio und in geringerem Maße in Simbabwe und den Vereinigten Staaten. Die globale Jahresproduktion von Ruthenium liegt bei rund 30 bis 35 Tonnen, was im Vergleich zu

11:50 Stahl oder Kupfer winzig erscheint im Vergleich zu Gold oder Platin aber durchaus respektabel ist. Die Gewinnung erfolgt fast ausschließlich als Nebenprodukt der Platin, Palladium und Nickelproduktion in einem aufwändigen, mehrstufigen Verfahren werden die einzelnen Platin Gruppen Metalle voneinander getrennt, da sie chemisch ausgesprochen ähnlich sind.

12:16 Klassischerweise werden Konzentrate mit Königswasser behandelt, wobei Platin und Palladium in Lösung gehen. Während Ruthenium und seine Verwandten als Rückstand zurückbleiben durch oxidative alkalische Schmelze, werden die Unlöslichen Rückstände aufgeschlossen und über Destillation als Ruthenium Tetroxid.

12:40 Wird das Element in reiner Form gewonnen. Schließlich wird das Tetroxid zu Ruthenium reduziert, üblicherweise durch Wasserstoff bei erhöhter Temperatur. Kommen wir nun zu den Anwendungen, denn hier zeigt Ruthenium seine Stille, aber ausgesprochen vielseitige Wirkung. Den größten Einzelmarkt stellt heute die Elektronikindustrie dar, in modernen Festplatten wird auf den magnetischen Speicherscheiben eine ultradünne Rutheniumschicht zwischen den magnetischen Funktionsschichten eingesetzt, in der Fachsprache als ruthenium Spacer bezeichnet.

13:20 Diese Schicht ist nur wenige Atomlagen dick und ermöglicht durch eine besondere magnetische Wechselwirkung, den sogenannten Antiferromagnetischen Zwischenschichtaustausch, eine drastische Erhöhung der Speicherdichte. Diese als Antiferro, Magnetic Coupling oder AFC bekannte Technologie war ein Durchbruch, der die Speicherkapazität von Festplatten in den frühen 2000 er Jahren um ein Vielfaches steigern konnte und ohne Ruthenium nicht möglich gewesen wäre. Eine weitere wichtige elektronische Anwendung sind Widerstandspasten, in denen Rutheniumdioxid als aktive Komponente in Dickschichtwiderständen für Elektronik Bauteile dient.

14:08 Hochreines Ruthenium kommt zudem in elektrischen Kontakten zum Einsatz, wo seine Härte und Korrosionsbeständigkeit für lange Lebensdauer sorgen. Auch in den allerneuesten Halbleiterprozessen, in denen Strukturen kleiner als 5 Nanometer hergestellt werden, gewinnt Ruthenium an Bedeutung. Es wird intensiv erforscht als möglicher Ersatz für Kupfer in den feinsten Verbindungsleitungen integrierter Schaltkreise, da es bei extrem kleinen Strukturgrößen einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als Kupfer. Eine traditionsreiche Anwendung liegt in der Schmuck und Schreibgeräteindustrie, eine Legierung aus rund 95% Platin und 5% Ruthenium ergibt einen besonders harten und kratzfesten Werkstoff, der in hochwertigen

15:02 Eheringen, Uhrenkomponenten und Schmuckstücken verwendet wird. Auch die berühmten Iridiumspitzen klassischer Füllfederhalter enthalten häufig Ruthenium als Härtebestandteil, die. Da reines Iridium für die feine Bearbeitung zu spröde wäre. Die Mischung aus Iridium, Ruthenium und Osmium oft als Iridosmium oder einfach als Iridium Tip bezeichnet, ist seit über 100 Jahren der Goldstandard für hochwertige Schreibspitzen. Doch das wohl spektakulärste Anwendungsfeld von Ruthenium liegt in der Katalyse.

15:41 In der industriellen Chemie sind Rutheniumkatalysatoren aus zahlreichen Prozessen nicht mehr wegzudenken. Im sogenannten Kellogg Brown and Root Advanced Ammonia Process, einer modernen Variante der Ammoniak Synthese, ersetzen rutheniumbasierte Katalysatoren die klassischen Eisenkatalysatoren des Haber Bosch Verfahrens.

16:06 Und ermöglichen die Reaktion bei niedrigeren Drücken und Temperaturen. Dies könnte ein wichtiger Baustein für eine zukünftige grüne Ammoniakproduktion sein, die ohne fossile Energieträger auskommt, in der organischen Synthesechemie hat Ruthenium den Forscher innen einen Werkzeugkasten beschert. Der in den letzten 30 Jahren die Art, wie wir Moleküle aufbauen, fundamental verändert hat.

16:38 Besonders herausragend sind die nach ihrem Entwickler benannten groubs Katalysatoren Ruthenium basierte Komplexverbindungen, die die sogenannte Olefin Metathese ermöglichen. Bei dieser Reaktion werden 2 Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen aufgebrochen und neu kombiniert, die. Eine Reaktion, die zuvor als chemisch fast unmöglich galt.

17:05 Robber h. Grubbs, Eves Chauvin und Richard R. Schrock erhielten dafür im Jahr 2005 gemeinsam den Nobelpreis für Chemie. Heute werden mit grubs Katalysatoren, Pharmazeutika, Kunststoffe wie spezielle Polynorborn inne und sogar geschlossene Naturstoffmoleküle synthetisiert, deren Aufbau ohne Metathese kaum vorstellbar wäre. Eine zukunftsweisende Anwendung ist die Wasserstoffwirtschaft. Rutheniumbasierte Katalysatoren werden für die Elektrokatalytische Wasserspaltung erforscht und können die Effizienz der Grünen Wasserstoffproduktion deutlich steigern.

17:51 In Brennstoffzellen wirken ruthenium Platin Legierungen als Kohlenmonoxid tolerante Katalysatoren und ermöglichen den Betrieb mit weniger reinem Wasserstoff. In sogenannten Farbstoffsensibilisierten, Solarzellen, den Grätzelzellen, sind rutheniumbasierte Farbstoffe wie der berühmte n 3 oder n 719 Komplex der Schlüssel zur Lichtabsorption und damit zur Erzeugung von Solarstrom aus organischen Materialien. Auch in der Medizin gewinnt Ruthenium zunehmend an Bedeutung.

18:28 Mehrere rutheniumhaltige Verbindungen werden derzeit als potentielle Krebsmedikamente klinisch erprobt. Substanzen wie KP 1019, NAMI, bindestrich a oder TLD 1433 zeigen in Studien vielversprechende Wirkungen gegen verschiedene Tumorarten, häufig mit weniger Nebenwirkungen als die etablierten Platinhaltigen CIS Platin und Carbo Platin Therapien.

18:58 TLLG 1433 wurde sogar als erstes ruthenium basiertes Medikament in eine klinische Phase 2 Studie zur photodynamischen Therapie von Blasenkrebs überführt. In der Augenheilkunde wird ruthenium 106, das radioaktive Isotop in Form von Strahlenapplikatoren zur Brachytherapie von Aderhautmelanomen eingesetzt. Einer seltenen Form von Augenkrebs. Die Behandlung gilt als so erfolgreich, dass das betroffene Auge in den meisten Fällen erhalten werden kann. Toxikologisch ist Ruthenium in seiner metallischen Form weitgehend unbedenklich, wegen seiner geringen Reaktivität und hohen Edelmetallnatur gilt es als biologisch innert. Vorsicht ist allerdings beim Umgang mit Rutheniumtetroxid geboten, das hochgradig giftig

19:58 und stark oxidierend wirkt und ausschließlich unter professionellen Laborbedingungen verwendet werden darf. Ruthenium 106 als radioaktives Isotop unterliegt entsprechenden strahlenschutzrechtlichen Bestimmungen wirtschaftlich. Folgt der Ruthenium Preis den allgemeinen Trends der Platin Metalle mit zum Teil heftigen Schwankungen in den letzten Jahren bewegte sich der Preis pro Feinunze typischerweise zwischen 208 100 US Dollar mit einer steigenden Tendenz aufgrund der wachsenden Nachfrage aus der Halbleiter und Wasserstoffindustrie. Recycling spielt eine wichtige Rolle, vor allem aus alten Festplatten, Elektronikschrott und Industriekatalysatoren. Die Versorgung gilt allerdings als geopolitisch heikel, da die Förderung stark auf Südafrika

20:53 und Russland konzentriert ist und die Europäische Union Ruthenium daher zu den kritischen Rohstoffen zählt. Wenn wir all diese Aspekte zusammenfassen, dann zeigt sich Rothenium als ein Element von erstaunlicher Reichweite. Es ist gleichzeitig der Härter im Eheringen, der Spacer in Festplatten, der Katalysator in der Ammoniaksynthese, der Lichtfänger in Farbstoffsolarzellen, das Werkzeug der Olefinmetathese und das Hoffnungsmolekül in der Krebstherapie. Es trägt seinen Beinamen als Platin Verwandter zurecht, denn es teilt mit seinen edlen Geschwistern die Korrosionsbeständigkeit, die Härte und die katalytische Brillanz, hat sich aber im 21 Jahrhundert eine eigenständige Rolle erobert, die in vielen

21:46 Bereichen über die seiner berühmteren verwandten Hinausweist. Und genau hier dürfen wir kurz innehalten. Die Geschichte des Rutheniums erinnert daran, wie eng moderne Hochtechnologie und globale Verantwortung verflochten sind. Ein Element, das fast ausschließlich in 2 Ländern der Erde gefördert wird.

22:11 Das in Festplatten, in Ammoniakanlagen, in Solarzellen und in Krebsmedikamenten gleichermaßen unverzichtbar ist und das zugleich durch seine radioaktiven Isotope auf grenzüberschreitende Risiken aufmerksam macht, zeigt mehr als deutlich, wie sehr unsere Lebensgrundlagen heute auf internationale Kooperation, transparente Lieferketten und verlässliche wissenschaftliche Standards angewiesen sind.

22:39 Die Fähigkeit, Rothenium 106 in Mikromengen über tausende Kilometer zu detektieren, ist letztlich eine demokratische Errungenschaft, denn sie setzt freie Forschung, offene Daten und das Vertrauen in unabhängige Institutionen voraus. Unsere Erde mit ihrer empfindlichen Atmosphäre und unsere demokratischen Gesellschaften, die uns Kontrolle, Aufklärung und gemeinsame Lösungen ermöglichen, sind das wertvollste Fundament unserer modernen Welt.

23:13 Beide brauchen. Unsere Wache Aufmerksamkeit und unseren entschiedenen Schutz, damit auch zukünftige Generationen mit Neugier und Vertrauen auf die stillen Wirkungselemente unseres Periodensystems blicken können. Damit sind wir am Ende unserer Reise zum Element Ruthenium angekommen. Wir haben ein Metall kennengelernt. Dessen Name an die alte Bezeichnung Russlands erinnert und das doch in den Laboren und Fabriken aller Kontinente seine Spuren hinterlässt.

23:47 Wir haben gesehen, wie es als jüngstes der Platinmetalle in den Härtelegierungen unseres Schmucks in den feinsten Schichten unserer Festplatten in den Katalysatoren der Grünen Chemie und in den Therapien gegen Krebs zu einem stillen Hoffnungsträger geworden ist. Vielleicht denkst du beim nächsten Klick auf eine Datei beim nächsten Blick auf einen Ehering oder bei der nächsten Nachricht über wasserstofftechnologie. Für einen kurzen Moment an dieses Element, das mit seiner unauffälligen, aber unvergleichlich vielseitigen Natur unsere Gegenwart prägt und unsere Zukunft mitgestalten wird.

24:29 Vielen Dank, dass du dir Zeit genommen hast für diese Folge der Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente bis zum nächsten Mal. Wenn wir uns gemeinsam einem weiteren faszinierenden Element auf unserer Reise durch die Welt der Atome zuwenden.