Rutenio: proprietà, composti, usi

Il rutenio è un metallo del blocco d appartenente al Gruppo 8 e al 5° periodo della Tavola Periodica avente configurazione elettronica Kr 4d⁷5s¹ con numero atomico 44.
Il chimico russo Karl Karlovich Klaus scoprì l’elemento nel 1844 mentre analizzava il residuo di un campione di roccia contenente platino proveniente dagli Urali.

Il nome del rutenio deriva dalla parola latina Ruthenia che significa Russia. Fu ottenuto dalla calcinazione del rutenio ammonio cloruro (NH₄)₂RuCl₆

Il rutenio fa parte dei metalli appartenenti ai metalli del gruppo del platino che sono caratterizzati proprietà fisiche e chimiche simili. Ad esempio attività catalitica, resistenza alla corrosione, resistenza all’ossidazione ad elevate temperatura, basso coefficiente di dilatazione termica, alto punto di fusione e si trovano generalmente negli stessi depositi minerari.

Proprietà

È un metallo duro e fragile, molto raro, di colore bianco-argenteo che si ossida all’aria solo ad elevate temperature. Come i metalli di transizione ed in particolare l’osmio che appartiene al suo stesso Gruppo, il rutenio  ha molti stati di ossidazione ovvero +2,+3,+4,+6 e +8 sebbene gli stati di ossidazione più comuni siano +2, +3 e +4.

Dal punto di vista termico, presenta un punto di fusione molto elevato (≈ 2334 °C) e un punto di ebollizione superiore ai 4000 °C, parametri che testimoniano la forza del reticolo cristallino e la natura altamente coesiva dei legami metallici. Tali caratteristiche lo rendono utile in applicazioni che richiedono stabilità alle alte temperature, come catalizzatori o contatti elettrici sottoposti a forte stress.

È inoltre un metallo ottimo conduttore elettrico, qualità tipica dei membri del gruppo del platino. Tuttavia, rispetto ai classici conduttori come rame o argento, il rutenio viene scelto non tanto per la sola conducibilità, quanto per la sua eccezionale resistenza alla corrosione e all’ossidazione anche in condizioni estreme.

Un’altra proprietà fisica distintiva è la sua densità relativamente alta (12.4 g/cm³), inferiore a quella del platino ma comunque tipica di un metallo pesante. A livello cristallografico, il rutenio cristallizza nel sistema esagonale compatto (hcp), caratteristica che influenza la sua durezza e la relativa fragilità, riducendo la capacità di deformazione plastica rispetto a metalli con struttura cubica a facce centrate (fcc).

Da un punto di vista chimico si comporta come un metallo nobile, cioè mostra una notevole resistenza ai processi di ossidazione e corrosione. A temperatura ambiente è praticamente inerte all’aria e all’acqua, e non reagisce con gli acidi più comuni, inclusi quelli forti. Tuttavia, in presenza di agenti ossidanti molto energici, come acqua regia o cloro ad alte temperature, può formare ossidi o cloruri stabili.

Una delle peculiarità chimiche più rilevanti del rutenio è la varietà degli stati di ossidazione che può assumere, che vanno da –2 fino a +8. Questa versatilità è fondamentale nella chimica di coordinazione e nella catalisi eterogenea e omogenea. Gli stati più comuni sono +2, +3 e +4, mentre il massimo stato di ossidazione (+8) si osserva nel tetrossido RuO₄, un composto estremamente potente come ossidante e simile al più noto OsO₄ dell’osmio, sebbene meno stabile.

Un altro aspetto interessante è la sua tendenza a passivarsi quando esposto a ossigeno ad alte temperature, generando una pellicola superficiale di ossido che lo protegge ulteriormente dall’attacco chimico. Questo comportamento è un tratto comune ai metalli nobili, ma nel caso del rutenio la stabilità degli ossidi varia più marcatamente con la temperatura e le condizioni ambientali.

Dal punto di vista elettrochimico, il rutenio possiede potenziali standard che lo rendono adatto per applicazioni in elettrodi catalitici, specialmente nelle celle a combustibile e nei processi di elettrolisi dell’acqua. In lega con iridio e altri metalli nobili, viene infatti utilizzato per produrre rivestimenti attivi nelle reazioni di evoluzione dell’ossigeno (OER).

Composti

Forma composti con l’ossigeno quando presenta numero di ossidazione più alto. Infatti nel tetrossido di rutenio RuO₄ ha numero di ossidazione +8, nel perrutenato RuO₄^– ha numero di ossidazione +7 e nel rutenato RuO₄^2-.

Il rutenio forma composti con gli alogeni come il trifluoruro di rutenio RuF₃, il tetrafluoruro RuF₄, il pentacloruro a molecola tetramera [RuF₅]₄ e l’esafluoruro RuF₆.

Forma composti metallo carbonili come Ru(CO)₅, Ru₂(CO)₉ e Ru₃(CO)₁₂ .

Da luogo a formazione di composti ciclopentadienilici come il rutenocene Ru(C₅H₅)₂ appartenente alla categoria dei metalloceni.

Il rutenio forma molti composti di coordinazione. Il rutenio (III) dà composti come [Ru(C₂O₄)₃]^3- .

Con numero di ossidazione 2 forma i complessi più importanti di tipo esacoordinati. In essi sono presenti l’azoto o il fosforo quali donatori come [Ru(NH₃)₆]²⁺.

Forma inoltre complessi che possono costituire un’alternativa a quelli del platino nella terapia per il cancro.

Il rutenio non reagisce con gli acidi e resiste all’attacco dell’acqua regia ma reagisce con  l’ipoclorito di sodio per formare rutenati, perrutenati e tetrossido di rutenio.

Usi

Il rutenio è utilizzato prevalentemente per ottenere leghe spesso con il platino o con il palladio. Queste leghe hanno maggiore durezza e resistenza agli attacchi chimici utilizzate per contatti elettrici, dispositivi per la misurazione di temperature molto elevate o molto basse.

Viene utilizzato anche in leghe con il titanio rendendolo più resistente alla corrosione infatti l’aggiunta dello 0.1% di rutenio rende la lega di titanio cento volte più resistente alla corrosione.

I composti del rutenio vengono utilizzati quali catalizzatori in molte reazioni di sintesi organiche come l’idratazione dei nitrili che porta alla formazione di ammidi:

R-CN + H₂O → RCONH₂

Il catalizzatore utilizzato per questa reazione è RuH₂(PPh₃)₄

I catalizzatori di Grubbs contenti composti del rutenio catalizzano la metatesi delle olefine.  I complessi del rutenio catalizzano la reazione di Noyori  che porta alla idrogenazione asimmetrica di aldeidi, chetoni e immine.

Esso costituisce anche un catalizzatore innovativo per la sintesi dell’ammoniaca. Con i catalizzatori tradizionali la reazione di sintesi richiede una elevata pressione con conseguente dispendio di energia mentre con un catalizzatore del tipo Ba-Ru-MgO la pressione può essere ridotta del 50%

Per il suo aspetto inconfondibile può essere usato per ottenere gioielli che hanno tuttavia un prezzo molto elevato stante la rarità dell’elemento

Chimicamo la chimica online perché tutto è chimica