Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
Loslassen und lernen. Heute reisen wir zu einem
Element, das in seiner Stille fast unscheinbar wirkt und doch
zu den begehrtesten Substanzen gehört, die der Mensch jemals
aus der Erde gelöst hat. Rhodium, chemisches Symbol RH.
Ordnungszahl, 45 ein silberweißes Metall, das in
seiner reinen Form so hell glänzt, dass es fast wie
flüssiges Mondlicht erscheint, wenn man es poliert.
Es gehört zur Gruppe der Platinmetalle, jener kleinen
Familie von 6 Elementen, die sich im Periodensystem
zusammenschmiegen wie eine verschworene Gemeinschaft.
Ruthenium, Rhodium, Palladium in der einen Reihe, Osmium,
Iridium, Platin in der anderen. Sie teilen sich Eigenschaften,
vorkommen und ein gemeinsames Schicksal in der Tiefe der Erde,
und doch hat jedes von ihnen seinen eigenen Charakter, seine
eigene Geschichte. Rhodium ist innerhalb dieser
Familie das Geheimnisvollste, das seltenste, das teuerste.
Im Frühjahr 2021 erreichte Rhodium einen Höchststand von
rund 29000 US Dollar pro Feinunze.
Eine Feinunze entspricht etwa 31 Komma 100 500 Gramm zum
Vergleich Gold lag zur selben Zeit bei etwa $1800 pro
Feinunze, Platin bei etwa $1200 Rhodium war also ungefähr 16 mal
so wertvoll wie Gold. Und 24 mal so wertvoll wie
Platin. Wer ein Kilogramm Rhodium besaß,
besaß einen Schatz im Wert von fast einer 1000000 US Dollar.
Und das alles bei einem Metall, von dem die meisten Menschen
noch nie gehört haben, das in keinem Schmuckkasten prominent
zu finden ist. Das niemand auf der Straße
erkennen würde. Die Preisbildung folgt dabei
einer eigenwilligen Logik, denn der Rhodiummarkt ist klein, eng,
anfällig für Schwankungen. Jährlich werden weltweit nur
etwa 30 Tonnen produziert, weniger als ein Hundertstel der
Goldproduktion und ein winziger Bruchteil dessen, was die
Eisenindustrie an einem einzigen Tag bewegt.
Die Geschichte des Rhodiums beginnt im Jahr 1803 in London.
In einem Laboratorium, das heute kaum noch jemand kennt.
Und doch wurden dort innerhalb weniger Monate 2 Elemente
entdeckt, die das Periodensystem für immer prägen sollten.
William Hyde Wallerstone, ein englischer Chemiker und Arzt,
geboren 1766 in East Dirryham gestorben. 1828 in London war
ein Mann von außerordentlicher Sorgfalt und einem Talent für
das Praktische, das viele seiner theoretisch begabten
Zeitgenossen nicht besaßen. Wolluston hatte zusammen mit
seinem Freund und Geschäftspartner Smithson
Tennant eine Möglichkeit gefunden, Platin so zu
verarbeiten, dass es sich industriell nutzen ließ.
Bis dahin galt Platin als ein widerspenstiges Metall, das sich
nur schwer schmelzen und formen ließ.
Wollerstone entwickelte ein Verfahren der Pulvermetallurgie,
das diese Hürde überwand und ihn zu einem der reichsten
Wissenschaftler seiner Zeit machte.
Bei der Untersuchung südamerikanischer Platin Erze,
die aus den Flüssen Kolumbiens stammten und damals als das
hochwertigste Rohmaterial der Welt galten, wurde.
Stieß er auf Rückstände, die sich nicht erklären ließen?
Aus diesen Rückständen isolierte er ein neues Element, das beim
Auflösen in Königswasser eine charakteristisch rosenrote
Färbung hervorrief. Diese Farbe gab dem Element
seinen Namen, abgeleitet vom griechischen Rhodon der Rose.
Im selben Jahr und aus ähnlichen Rückständen isolierte Wollaston
auch Palladium, das er nach dem damals frisch entdeckten
Asteroiden Pallas benannte. Die Entdeckung des Rhodiums fiel
in eine Zeit, in der das Periodensystem als geordnete
Struktur noch gar nicht existierte, erst 66 Jahre später
im Jahr 1869. Veröffentlichte Dimitri
Mendelejew seine erste Tabelle der Elemente und Lothar Meier
arbeitete unabhängig davon an einer ähnlichen Systematik.
Rhodium fand seinen Platz in der neunten Gruppe in der fünften
Periode, eingebettet zwischen Ruthenium und Palladium.
Seine Elektronenkonfiguration ist auf den ersten Blick
ungewöhnlich, denn statt der zu erwartenden Anordnung mit 2
Elektronen in der äußersten Schale weist Rhodium nur ein
einziges Elektron in der fünften Hauptschale auf.
Die Konfiguration lautet Krypton 4 d 85 s ersten dieses Phänomen,
bei dem ein Elektron aus der S Schale in die d Schale wechselt.
Tritt bei mehreren Übergangsmetallen auf und hängt
mit der energetischen Stabilität halb oder vollständig gefüllter
Orbitale zusammen. Bei Rhodium ist es eine
besonders elegante Lösung, die dem Element seine spezifische
Reaktivität verleiht, die physikalischen Eigenschaften des
Rhodiums lesen sich wie ein Loblied auf die Beständigkeit
er. Es hat einen schmelzpunkt von
1964 Grad Celsius, einen Siedepunkt von 3695 Grad
Celsius, eine dichte von 12 komma 41 gramm pro
Kubikzentimeter, was es etwa 55% Dichter macht als Eisen, aber
leichter als Platin oder Osmium. Es ist hart, mit einer Mooshärte
von 6 Korrosionsbeständig oxidiert an Luft selbst bei
Rotglut kaum, widersteht den meisten Säuren und löst sich
nicht einmal in Königswasser, jener aggressiven Mischung aus
Salzsäure und Salpetersäure, die selbst Gold zum Aufgehen bringt.
Wer Rhodium auflösen will, braucht spezielle Verfahren,
etwa eine Schmelze mit Natriumbisulfat oder den
Aufschluss mit heißer Schwefelsäure unter Zugabe von
Sauerstoff. Diese Resistenz ist einer der
Gründe, warum Rhodium so wertvoll ist.
Denn ein Metall, das nicht angegriffen wird, ist ein
Metall, das immer wieder verwendet werden kann.
Und ein Metall, das seine Eigenschaften über Jahre und
Jahrzehnte behält, ohne zu altern.
Die Reflektivität des Rhodiums ist eine weitere seiner stillen
Tugenden im sichtbaren Licht reflektiert es etwa 80% des
einfallenden Lichts, und diese Reflexion bleibt über die Zeit
stabil, weil sich keine matte Oxidschicht bildet wie bei
Silber. Aus diesem Grund wurde Rhodium
früher häufig zur Beschichtung von Spiegeln in optischen
Instrumenten verwendet, in Mikroskopen, in Scheinwerfern,
in wissenschaftlichen Apparaturen, bei denen es auf
langfristige Stabilität ankam. Auch heute noch findet man
rhodiumbeschichtete Oberflächen in der hochwertigen Optik in der
Schmuckindustrie als sogenannte Rhodinierung von Weißgold und
Silber, die die Stücke vor dem Anlaufen schützt und ihnen einen
besonders kühlen weißen Glanz verleiht.
Wer einen Weißgoldring trägt, trägt mit hoher
Wahrscheinlichkeit eine hauchdünne Rhodiumschicht von
etwa 0,05 Mikrometern auf der Oberfläche, eine Schicht, die.
Die nach einigen Jahren des Tragens abgenutzt sein kann und
dann erneuert werden muss. Rhodium ist der wichtigste
Bestandteil des 3 Wege Katalysators, jener kleinen
Vorrichtung im Auspuffstrang von Benzinmotoren, die die Abgase
reinigt, bevor sie in die Atmosphäre gelangen, etwa 80 bis
85% der weltweiten Rhodiumproduktion fließen in
diese Anwendung. Im Katalysator übernimmt Rhodium
die schwierigste Aufgabe. Die Reduktion der Stickoxide zu
molekularem Stickstoff. Stickoxide, also
Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, entstehen bei
der Verbrennung in heißen Motoren, wenn Luftstickstoff und
Luft Sauerstoff bei hohen Temperaturen reagieren.
Sie sind hochgiftig, tragen zur Bildung von bodennahem Ozon bei,
schädigen Atemwege und Pflanzen, sind beteiligt an saurem Regen.
Ohne Rhodium würden die Stickoxid Emissionen der
Verbrennungsmotoren ein Vielfaches dessen betragen, was
heute aus den Auspuffrohren strömt.
Platin und Palladium die anderen beiden Edelmetalle im
Katalysator übernehmen die Oxidation von Kohlenmonoxid und
unverbrannten Kohlenwasserstoffen, rhodium
aber ist der einzige praktikable Stoff, der die Stickoxide
effektiv. Und bei den im Auspuff
herrschenden Temperaturen zerlegen kann, und zwar in einem
Bereich, der eng zwischen einer zu mageren und einer zu fetten
Gemischzusammensetzung schwankt. Die Geschichte dieser Anwendung
ist mit der Geschichte des modernen Umweltschutzes
verwoben. In den 70er Jahren des 20
Jahrhunderts wurden in den Vereinigten Staaten erstmals
strenge Abgasgrenzwerte erlassen.
Im Rahmen des Clean Air Act von 1970.
Die Automobilindustrie stand vor der Aufgabe, Lösungen zu finden,
und die Antwort kam in Form des Katalysators, der zunächst nur
Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe Oxidierte.
Der 3 Wege Katalysator mit Rhodium wurde Ende der 70er
Jahre eingeführt und gilt seit den 80er Jahren in den meisten
westlichen Ländern als Standardausstattung.
In Europa wurde er ab 1989 schrittweise vorgeschrieben,
beginnend mit der Euro 1 Norm, die ab 1992 galt.
Seitdem hat sich der Rhodiumverbrauch der
Automobilindustrie zu einem zentralen Faktor des Weltmarkts
entwickelt, mit allen Schwankungen, die ein so eng
gekoppelter Markt mit sich bringt.
Die Vorkommen des Rhodiums sind geografisch extrem konzentriert,
etwa 80% der Weltproduktion, stammen aus einem einzigen
geologischen Komplex, dem Busch Weltkomplex in Südafrika.
Diese gewaltige Intrusion magmatischen Gesteins, die sich
vor etwa 2 Milliarden Jahren bildete, erstreckt sich über
eine Fläche von rund 66000 Quadratkilometern und enthält
die größten bekannten Reserven an Platinmetallen weltweit.
Die wichtigsten Erze sind dort der merensky Riff, das Upper
Group 2 Reef und das Platreef, in denen die Platinmetalle in
winzigen Konzentrationen vorkommen.
Oft nur wenige Gramm pro Tonne Gestein daneben gibt es
bedeutende Vorkommen in Russland, vor allem in der
Region Norilsk in Sibirien, wo Rhodium als Nebenprodukt der
Nickel und Kupfergewinnung anfällt.
Kleinere Mengen werden in Simbabwe, Kanada und den
Vereinigten Staaten gefördert. Diese geographische
Konzentration macht den Markt anfällig für Störungen, sei es
durch politische Instabilität, Streiks in den südafrikanischen
Bergwerken, Stromausfälle, die die energieintensive Förderung
lahmlegen, oder durch Sanktionen gegen Russland.
Im Jahr 2020 führten Dubai Stromausfälle in Südafrika und
Produktionsstörungen bei einem der größten Anbieter zu einem
dramatischen Anstieg des Rhodium Preises, der innerhalb weniger
Monate fast verdoppelt wurde. Die Gewinnung selbst ist ein
technisches Wunderwerk und eine ökologische Herausforderung
zugleich, aus einer Tonne Erz lassen sich oft nur wenige
Hundertstel Gramm Rhodium gewinnen.
Das Gestein muss erst gemahlen, dann durch Flotation
angereichert, anschließend geschmolzen und in mehrstufigen
chemischen Verfahren aufgetrennt werden.
Die Trennung der Platinmetalle voneinander ist besonders
schwierig, weil sich ihre chemischen Eigenschaften ähneln.
Klassische Verfahren beruhten auf einer Abfolge von Fällungen,
Auflösungen, Filtrationen und Kristallisationen, die viele
Wochen in Anspruch nehmen konnten.
Moderne Verfahren nutzen die Lösungsmittelextraktion, bei der
die einzelnen Metalle nacheinander durch organische
Komplexbildner aus wässrigen Lösungen entfernt werden.
Auch die Ionenaustauscher Chromatographie spielt eine
Rolle am Ende der Kette steht reines Rhodiummetall, oft in
Form von Schwamm oder als Pulver, das für die jeweilige
Anwendung weiterverarbeitet wird.
Ein bedeutender Anteil des heute verwendeten Rhodiums stammt
nicht aus dem Bergbau, sondern aus dem Recycling.
Alte Katalysatoren werden gesammelt, zerlegt und ihre
Edelmetalle zurückgewonnen, etwa 30 bis 40% des jährlichen
Rhodiumbedarfs wird heute aus solchen sekundären Quellen
gedeckt. Diese Kreislaufwirtschaft ist
ökologisch von erheblicher Bedeutung, denn die Gewinnung
eines Kilogramms Rhodium aus dem Erz.
Erfordert das Bewegen und verarbeiten von Hunderten Tonnen
Gestein und ist mit einem entsprechend hohen Energie und
Wasserverbrauch verbunden. Das Recycling spart einen großen
Teil dieses Aufwands ein und reduziert zugleich die
Abhängigkeit von wenigen Förderländern.
Die Wiedergewinnung erfolgt in spezialisierten Anlagen, in
denen die keramischen Träger der Katalysatoren in starken Säuren.
Aufgeschlossen werden und die Edelmetalle in mehrstufigen
Verfahren gereinigt werden. Auch Schmuckabfälle und
Industrieschrott werden auf diesem Weg recycelt.
Die chemische Reaktivität des Rhodiums ist trotz seiner
Beständigkeit erstaunlich vielfältig, in seinen
Verbindungen tritt es vorwiegend in den Oxidationsstufen plus 1 +
2 und plus 3 auf, wobei die Stufe plus 3 mit Abstand die
häufigste ist. Rhodium 3 Chlorid rhc l 3 ist
eine wichtige Ausgangsverbindung für die Herstellung anderer
Rhodiumverbindungen, vor allem für die Synthese von
Katalysatoren in der homogenen Katalyse.
In diesem Bereich hat das Element seine zweite große
Karriere als Katalysator gemacht, neben der Anwendung im
Autoabgaskatalysator, der ein heterogener Katalysator ist.
In der homogenen Katalyse löst sich der Katalysator zusammen
mit den Reaktionspartnern in einer flüssigen Phase und die
Reaktionen können unter Mildbedingungen ablaufen, oft
bei Raumtemperatur und Normaldruck.
Rhodiumkomplexe spielen hier eine herausragende Rolle, vor
allem in der Hydroformülierung einer Reaktion bei der Olefine
mit Kohlenmonoxid und Wasserstoff zu Aldehyden
umgesetzt werden. Die wiederum wichtige
Zwischenprodukte für die Herstellung von Weichmachern,
Detergenzien und anderen Chemikalien sind.
Die weltweite jährliche Produktion an Aldehyden über
diesen Prozess liegt im Bereich von mehreren Millionen Tonnen.
Und der Großteil davon wird mit Rhodiumkatalysatoren
hergestellt. Auch die asymmetrische
Hydrierung, eine der eindrucksvollsten Reaktionen der
modernen organischen Chemie, wird mit Rhodiumkomplexen
durchgeführt. Bei dieser Reaktion werden
chirale Moleküle hergestellt, also Moleküle, die in 2
spiegelbildlichen Formen vorkommen können, von denen oft
nur eine die gewünschte biologische Wirkung hat.
Die Pharmazie ist auf solche Verfahren angewiesen, weil viele
Wirkstoffe nur in einer der beiden Formen wirksam oder
verträglich sind. Der amerikanische Chemiker
William S. Knowles erhielt im Jahr 2001 den
Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur asymmetrischen
Hydrierung mit Rhodiumkatalysatoren, die in den
60er und 70er Jahren entwickelt wurden und die Grundlage für die
industrielle Synthese von Eldopa legten, einem wichtigen
Medikament gegen die Parkinsonsche Krankheit.
Noles teilte sich den Nobelpreis mit Riogi Noori und K.
Barry Sharples, die ihrerseits Beiträge zur asymmetrischen
Synthese geleistet hatten. Die Anwendung der
Rhodiumkatalyse in der Pharmazie ist seitdem weiter ausgebaut
worden und gehört zu den Standardwerkzeugen der
industriellen Wirkstoffherstellung in der
Glasindustrie spielt Rhodium ebenfalls eine wichtige Rolle.
Legierungen aus Platin und Rhodium werden für die
Herstellung von Glasfasern verwendet, indem geschmolzenes
Glas durch sogenannte Düsenplatten gepresst wird, die
aus diesen Legierungen bestehen. Diese Platten müssen den
extremen Temperaturen von über 1500 Grad Celsius widerstehen
und dürfen das Glas nicht verunreinigen, Rhodium erhöht
die Härte. Und die Beständigkeit gegen
Verformung gegenüber reinem Platin auch in der Herstellung
von hochwertigem Bildschirmglas in der Optik und in der
Produktion spezieller Glasfasern für die Telekommunikation finden
sich rhodiumhaltige Bauteile. Die Lebensdauer einer solchen
Düsenplatte kann mehrere Jahre betragen und am Ende ihrer
Nutzung wird das Material recycelt.
Weil der Materialwert allein die Wiederaufarbeitung
wirtschaftlich macht. Eine weitere Anwendung findet
sich in thermoelementen, Platin, Rhodium, Thermoelemente, oft mit
10 oder 13%. Rhodiumanteil werden für die
Messung sehr hoher Temperaturen verwendet, in Hochöfen, in der
Glasproduktion, in der Halbleiterindustrie, in.
Sie können Temperaturen bis etwa 1700 Grad Celsius zuverlässig
messen und sind über lange Zeiträume stabil.
Der Typ S mit 10% Rhodium ist seit Jahrzehnten ein
internationaler Standard und wird unter anderem für die
Definition der internationalen Temperaturskala verwendet.
Die thermoelektrische Spannung, die zwischen einem Platin
Rhodiumdraht und einem reinen Platindraht entsteht, ist so
präzise reproduzierbar, dass sie als Referenz dient.
In der Schmuckindustrie wird Rhodium, wie bereits erwähnt,
vor allem als Beschichtung verwendet, reiner Rhodiumschmuck
ist äußerst selten, weil das Metall spröde ist und sich nur
schwer in dünne Formen bringen lässt.
Doch es gibt einige wenige Stücke aus massivem Rhodium, die
zu den teuersten Schmuckobjekten der Welt gehören.
Ein berühmtes Beispiel ist eine rhodium Schmuck Kollektion, die
das Guinness Buch der Rekorde Ende der 70er Jahre als
wertvollste Stücke verzeichnete. Heute wird der Rhodiumglanz auch
als Statussymbol genutzt, etwa in Form spezieller Editionen von
Uhren und Schmuck. Deren Hülle aus Rhodium besteht
oder Rhodiniert, ist. Auch wissenschaftliche
Auszeichnungen wurden gelegentlich aus Rhodium
gefertigt. Der amerikanische Sänger Paul MC
Cartney etwa erhielt eine Rhodium beschichtete
Schallplatte, weil eine goldene oder platinfarbene Auszeichnung
den Verkaufsrekorden nicht mehr gerecht wurde.
Die toxikologischen Eigenschaften des Rhodiums sind
im Vergleich zu vielen anderen Schwermetallen vergleichsweise
unbedenklich. Metallisches Rhodium gilt als
praktisch ungiftig, weil es vom Körper nicht aufgenommen wird
und chemisch inert ist. Lösliche Rhodiumverbindungen wie
das Rhodium 3 Chlorid können hingegen bei längerer Exposition
reizend wirken und gelten als möglicherweise Sensibilisierend
als. Also als Auslöser allergischer
Reaktionen. Studien zur Karzinogenität
existieren, sind aber wegen der seltenen Exposition begrenzt.
In der Umwelt findet sich Rhodium heute in messbaren
Mengen, vor allem entlang von Autobahnen, wo Katalysatoren bei
intensiver Nutzung kleinste Mengen Rhodium emittieren, die
sich im Straßenstaub und in angrenzenden Böden anreichern.
Die Konzentrationen liegen im Bereich von Nanogramm Programm
Staub, sind also extrem niedrig, geben aber Hinweise darauf, wie
weit die Spuren menschlicher Technik in die Umwelt
hineinreichen. In den Sternen wird Rhodium auf
eine Weise gebildet, die uns einen Blick in die größten
kosmischen Ereignisse erlaubt, die schweren Elemente jenseits
des Eisens entstehen nicht durch normale Sternfusion.
Weil die Fusion ab dem Eisen keine Energie mehr freisetzt,
sondern verbraucht. Sie entstehen durch
Neutroneneinfangprozesse, von denen es 2 wesentliche Varianten
gibt, der langsame Neutroneneinfang der Essprozess
läuft in den späten Phasen massereicher Sterne und
insbesondere in sogenannten Roten Riesen ab und produziert
vor allem stabile Isotope mit moderatem Neutronenüberschuss.
Der schnelle Neutroneneinfang der R Prozess läuft in
Supernovae und vor allem bei der Verschmelzung von
Neutronensternen ab und produziert die schwersten und
neutronenreichsten Kerne. Rhodium entsteht zum großen Teil
durch den S Prozess in den Atmosphären Sterbender Sterne,
deren Materie dann durch Sternenwinde oder beim finalen
Kollaps in den interstellaren Raum gelangt.
Dass wir heute Rhodium auf der Erde finden können, ist ein Erbe
ferner Sternenexplosionen, die vor Milliarden Jahren
stattgefunden haben, lange bevor unsere Sonne und ihre Planeten
entstanden. Jedes Atom Rhodium in deinem
Smartphone, in deinem Auto, in deinem Trauring, falls er aus
Weißgold besteht, war einst Teil eines Sterns.
Und so legen wir das stille, silbrige Element nun zur Ruhe,
schließen die Tür zu seiner Geschichte, atmen ruhig aus und
nehmen den Gedanken mit, dass selbst die unscheinbarsten Dinge
in unserer Welt eine Geschichte erzählen, die bis zu den Sternen
reicht. Schlaf gut.