Ruthenium

Rozbalit box

Obsah boxu

Ruthenium (chemická značka Ru) je chemický prvek s protonovým číslem 44. Nachází se v 8. skupině a 5. periodě periodické tabulky prvků. Jedná se o tvrdý, křehký a vzácný kov, který má stříbřitě bílou barvu. Patří mezi těžké platinové kovy a je chemicky vysoce odolný vůči většině kyselin.

Ruthenium je jedním z nejvzácnějších prvků v zemské kůře, kde se jeho koncentrace odhaduje na 1 díl na miliardu (ppb). Většinou se vyskytuje společně s dalšími platinovými kovy v platinových rudách, především v pohoří Ural v Rusku a v Severní a Jižní Americe. Jeho hlavní využití je v elektronice a chemickém průmyslu, kde slouží jako mimořádně účinný katalyzátor a jako součást vysoce odolných slitin.

📝 Charakteristika

Ruthenium je velmi tvrdý, ale zároveň křehký kov s vysokou teplotou tání a varu. Jeho hustota je přibližně 12,45 g/cm³, což ho řadí mezi velmi těžké kovy. Krystalizuje v hexagonální nejtěsněji uspořádané struktuře. Je chemicky velmi inertní a odolává působení většiny kyselin, včetně lučavky královské, při pokojové teplotě. Reaguje pouze s halogeny za vyšších teplot a je napadáno taveninami hydroxidů.

Elektronová konfigurace ruthenia, [Kr] 4d⁷ 5s¹, je anomální, podobně jako u sousedních prvků niob, molybden nebo rhodium. Tato konfigurace přispívá k jeho schopnosti existovat v široké škále oxidačních stavů, od -2 až po +8. Nejběžnější a nejstabilnější je oxidační stav +4. Ve vyšších oxidačních stavech, jako je +8 v oxidu rutheničelém (RuO₄), je prvek silně oxidační a nestabilní.

Fyzikální vlastnosti ruthenia, jako je vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení, ho předurčují pro specializované aplikace. Slitiny ruthenia s platinou nebo palladiem výrazně zvyšují jejich tvrdost a odolnost. Například přídavek pouhých 0,1 % ruthenia do titanu stonásobně zvyšuje jeho odolnost proti korozi.

⏳ Historie

Objev ruthenia je spojen s výzkumem platinových rud z pohoří Ural. Ačkoliv polský chemik Jędrzej Śniadecki oznámil objev nového prvku, který nazval "vestium", již v roce 1807, jeho výsledky nebyly potvrzeny. Podobně neuspěl ani švédský chemik Jöns Jacob Berzelius a německý chemik Gottfried Osann, kteří v roce 1827 zkoumali zbytky po rozpuštění uralské platiny v lučavce královské. Osann tvrdil, že nalezl tři nové kovy, které pojmenoval pluranium, polinium a ruthenium.

Skutečný objev je připisován až ruskému chemikovi s německými kořeny, Karlu Ernstu Clausovi. V roce 1844 na Kazaňské univerzitě prokázal, že Osannův oxid ruthenia obsahoval nečistoty, ale podařilo se mu izolovat čistý nový prvek. Claus si ponechal jméno ruthenium na počest své vlasti. Jméno je odvozeno z latinského slova Ruthenia, což je historický název pro Rus, tedy území obývané východními Slovany, zejména Ruskem. Clausovi se podařilo izolovat 6 gramů čistého ruthenia ze zbytků platinové rudy.

🌍 Výskyt a získávání

Ruthenium je extrémně vzácný prvek. Jeho průměrný obsah v zemské kůře se odhaduje na přibližně 1 mikrogram na kilogram (1 ppb). Téměř vždy se nachází společně s dalšími kovy platinové skupiny (PGM) v minerálech jako je laurit (RuS₂), ruarsit (RuAsS) nebo v ryzí formě jako součást přírodních slitin s osmiem a iridiem, například v osmiridiu.

Největší světová ložiska rud obsahujících ruthenium se nacházejí v Jihoafrické republice v oblasti Bushveldského komplexu. Další významná naleziště jsou v Rusku (pohoří Ural), Kanadě (Sudbury Basin), Zimbabwe a ve Spojených státech (Montana). Roční celosvětová produkce ruthenia se pohybuje kolem 30–35 tun, přičemž Jihoafrická republika je dominantním producentem.

Získávání ruthenia je složitý a energeticky náročný proces, jelikož je součástí komplexních rud. Obvykle se získává jako vedlejší produkt při zpracování rud niklu, měďi a platiny. Po oddělení hlavních kovů zůstává zbytek obsahující platinové kovy, který se dále chemicky zpracovává. Ruthenium se odděluje od ostatních PGM pomocí vícekrokové destilace těkavého oxidu rutheničelého (RuO₄) nebo pomocí extrakce a iontové výměny.

⚙️ Využití

Navzdory své vysoké ceně a vzácnosti má ruthenium klíčové uplatnění v moderních technologiích. Jeho využití je rozděleno do několika hlavních oblastí:

Elektronika: Největší podíl spotřeby ruthenia (přes 50 %) směřuje do výroby elektronických součástek. Používá se k výrobě tenkovrstvých rezistorů a elektrických kontaktů s extrémní odolností proti opotřebení. V posledních letech je klíčové pro výrobu pevných disků (HDD), kde tenká vrstva ruthenia odděluje magnetické vrstvy a umožňuje výrazně zvýšit hustotu záznamu dat.

Katalýza: Ruthenium a jeho sloučeniny jsou vynikajícími katalyzátory pro mnoho chemických reakcí. Využívá se například v Haber-Boschově syntéze amoniaku nebo při výrobě kyseliny octové. V roce 2001 byla udělena Nobelova cena za chemii za výzkum asymetrické hydrogenace s využitím rutheniových katalyzátorů.

Slitiny: Přidáním malého množství ruthenia k platině nebo palladiu se výrazně zvyšuje jejich tvrdost, odolnost proti otěru a korozi. Tyto slitiny se používají na výrobu luxusních hodinek, šperků nebo hrotů plnicích per. Slitina titanu s 0,1 % ruthenia je až 100krát odolnější vůči korozi a má potenciální využití v chemickém průmyslu nebo pro lékařské implantáty.

Ostatní aplikace: Sloučeniny ruthenia se zkoumají pro využití v solárních článcích (tzv. Grätzelovy články) a pro potenciální protirakovinné léky, které by mohly nahradit léky na bázi platiny, jako je cisplatina.

📈 Ekonomika a trh

Ruthenium je drahý kov, jehož cena je ovlivněna nízkou produkcí a vysokou poptávkou v technologickém sektoru. Cena ruthenia je velmi volatilní a může se dramaticky měnit v závislosti na globální poptávce, zejména ze strany výrobců pevných disků a chemického průmyslu.

V posledních letech cena výrazně rostla. Zatímco na začátku roku 2017 se cena pohybovala kolem 40 USD za troyskou unci, v letech 2021-2023 zažila prudký nárůst a dosahovala hodnot i přes 800 USD za unci. K listopadu 2025 se cena stabilizovala na úrovni kolem 450–500 USD za troyskou unci (přibližně 14,5–16 USD za gram), což je stále výrazně více než v předchozím desetiletí.

Hlavními světovými producenty jsou společnosti jako Anglo American Platinum, Impala Platinum a Norilsk Nickel. Celosvětová roční produkce se odhaduje na přibližně 35 tun. Vzhledem k jeho strategickému významu pro elektroniku je ruthenium považováno za kritickou surovinu a jeho dodavatelský řetězec je pečlivě sledován.

🔬 Sloučeniny

Ruthenium tvoří sloučeniny v širokém rozmezí oxidačních čísel, od -2 do +8.

Oxid rutheničelý (RuO₄): Jedna z nejznámějších sloučenin. Je to žlutá, vysoce těkavá pevná látka s teplotou tání 25,4 °C. Je extrémně silným oxidačním činidlem, toxická a explozivní. Používá se v organické syntéze a při oddělování ruthenia od ostatních kovů.
Oxid rutheničitý (RuO₂): Modročerná pevná látka, která je na rozdíl od RuO₄ stabilní a nerozpustná ve vodě. Používá se jako hlavní složka v tenkovrstvých rezistorech a jako katalyzátor, například v chlor-alkalickém procesu pro výrobu chloru.
Chlorid ruthenitý (RuCl₃): Běžná výchozí sloučenina pro syntézu dalších rutheniových komplexů. Existuje v několika formách a je rozpustný ve vodě za vzniku komplexních iontů.
Komplexní sloučeniny: Ruthenium tvoří obrovské množství koordinačních sloučenin, které mají význam v katalýze. Příkladem je Grubbsův katalyzátor, používaný v metatezi olefinů, za jehož objev byla udělena Nobelova cena za chemii v roce 2005.

🧪 Izotopy

Přírodní ruthenium se skládá ze sedmi stabilních izotopů: ⁹⁶Ru (5,54 %), ⁹⁸Ru (1,87 %), ⁹⁹Ru (12,76 %), ¹⁰⁰Ru (12,60 %), ¹⁰¹Ru (17,06 %), ¹⁰²Ru (31,55 %) a ¹⁰⁴Ru (18,62 %). Nejhojnějším izotopem je ¹⁰²Ru.

Kromě stabilních izotopů je známo více než 30 radioaktivních izotopů. Většina z nich má velmi krátký poločas přeměny. Nejstabilnějším radioizotopem je ¹⁰⁶Ru s poločasem přeměny 373,59 dne. Tento izotop je produktem štěpení uranu a nachází se v jaderném odpadu. Využívá se v radioterapii pro léčbu očních nádorů. Dalším relativně stabilním radioizotopem je ¹⁰³Ru s poločasem přeměny 39,26 dne.

☣️ Bezpečnost a toxicita

Elementární ruthenium je považováno za netoxické a biologicky inertní, podobně jako ostatní platinové kovy. V kovové formě nepředstavuje významné zdravotní riziko.

Některé sloučeniny ruthenia jsou však vysoce toxické a karcinogenní. Zvláště nebezpečný je oxid rutheničelý (RuO₄), který je silně oxidační a jeho páry mohou vážně poškodit dýchací cesty a oči. Sloučeniny ruthenia mohou také zbarvovat pokožku a sliznice. Při manipulaci s těkavými nebo reaktivními sloučeninami ruthenia je nutné dodržovat přísná bezpečnostní opatření, včetně použití digestoře a osobních ochranných prostředků.

⚛️ Pro laiky

Představte si ruthenium jako superhrdinu mezi kovy. Je neuvěřitelně vzácné – mnohem vzácnější než zlato. Kdybyste shromáždili veškeré ruthenium vytěžené za rok na celém světě, vešlo by se do jedné větší krabice.

Jeho hlavní superschopností je extrémní odolnost. Je tak tvrdé a odolné proti poškrábání a chemikáliím, že se přidává do jiných drahých kovů, jako je platina, aby z nich udělalo "brnění". Například luxusní hodinky s příměsí ruthenia se jen tak nepoškrábou.

Druhou superschopností je role "urychlovače". V chemii funguje jako katalyzátor, což znamená, že dokáže neuvěřitelně zrychlit chemické reakce, aniž by se samo spotřebovalo. Díky tomu pomáhá efektivně vyrábět důležité látky, třeba hnojiva.

A kde ho najdete v běžném životě? Pravděpodobně ve vašem počítači. Malinká vrstva ruthenia v pevném disku umožňuje uložit obrovské množství dat na malý prostor. Takže i když ho nikdy neuvidíte, ruthenium je tichým hrdinou moderních technologií.

✨ Zajímavosti

Hroty prémiových plnicích per značek jako Parker nebo Montblanc jsou často vyrobeny ze slitin obsahujících ruthenium pro jejich extrémní tvrdost a odolnost proti opotřebení.
V roce 2017 byla v atmosféře nad Evropou detekována mírně zvýšená koncentrace radioaktivního izotopu ¹⁰⁶Ru. Původ úniku nebyl nikdy s jistotou potvrzen, ale předpokládá se, že pocházel z jaderného zařízení v jižním Uralu.
Název "Ruthenia" byl v minulosti používán nejen pro Rusko, ale také pro regiony jako je Ukrajina, což občas vede k diskusím o kulturním původu názvu prvku.
Ruthenium je jedním z mála prvků, které mohou existovat v oxidačním stavu +8, nejvyšším známém pro jakýkoli prvek.

Zdroje