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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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,
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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.