Ruthénium

Parmi les isotopes stable du ruthénium, les isotopes ⁹⁹Ru et ¹⁰¹Ru possèdent tous les deux le spin nucléaire 5/2[8]. Il est donc possible de faire de la RMN du ruthénium. Leurs rapports gyromagnétiques sont 1,234 et 1,383 (en 10⁷rad.T⁻¹.s⁻¹) respectivement. Comme les autres isotopes n'ont pas de spin nucléaire ils sont inutilisables en RMN.

Par ailleurs, les spins (nucléaire ou électronique) voisins sont donc potentiellement couplés avec le ruthénium.

La production mondiale s'élève à environ 12 tonnes par an ; c'est souvent un sous-produit de l'extraction des métaux précieux de la « mine du platine » : iridium, rhodium, platine et palladium.

Le corps simple est un métal blanc à gris argent, de densité avoisinant 12,2 (platinoïde léger avec Rh et Pd) et de lustre métallique caractéristique. Il appartient au système cristallin hexagonal, en particulier caractérisé par un réseau hexagonal compact.

Une barre cassée de ruthénium très pur (99,99 %).

Il s'agit d'un métal relativement dur, mais cassant. Il fond vers 2 330 °C et bout vers 4 100 °C. Il a des propriétés analogues à l'osmium et au platine.

Sa métallurgie est complexe. Elle se décline en deux versants, via une métallurgie des poudres ou des techniques de fusion à l'arc électrique sous atmosphère inerte d'argon.

Le ruthénium présente une grande résistance à froid et à chaud, placés aux milieux chimiquement agressifs, aux acides et aux bases.

Le ruthénium est inaltérable à l'air et insoluble dans l'eau, il est pratiquement inattaquable par les acides, y compris par l'eau régale, à moins d'ajouter du chlorate de potassium, opération qui rend l'oxydation explosive[9].

Il est facilement soluble dans les bases fondues.

Ce métal, en poudre de plus ou moins grande surface spécifique, est un catalyseur polyvalent. Il sert à favoriser l'hydrogénation, comme certaines réductions et oxydations.

Le ruthénium a l'intéressante propriété d'augmenter la dureté des alliages de Pt et de Pd. Les alliages du ruthénium avec le platine et le palladium sont surtout stables et très durs. Ils peuvent servir en bijouterie, ou banalement comme pointe de stylo ou pièce de résistance mécanique, mais aussi aux contacts électriques, dans divers relais et contacteurs électriques.

Il augmente également, ajouté en très faible proportion, la résistance à la corrosion du titane, qui bondit d'un facteur 100 avec une simple addition de 0,1 % en masse de Ru.

Sa chimie se caractérise par les degrés d'oxydation de 0 à VIII. Les valences les plus stables sont II, III et IV.

Chauffé au rouge, le ruthénium réagit avec le gaz oxygène.

Il existe le dioxyde de ruthénium RuO₂ et surtout le tétraoxyde de ruthénium RuO₄.

Le ruthénium réagit avec le gaz fluor au-delà de 300 °C :

Ru _{solide cristal, en poudre} + 3/2 F_{2 gaz} → RuF_{3 gaz}

Il existe ainsi différents fluorures, comme le RuF₃, RuF₄, RuF₅, RuF₆.

Il réagit aussi avec les autres corps simple halogènes par exemple le gaz chlore.

Ru _{solide cristal, en poudre, chauffée au rouge} + 3/2 Cl_{2 gaz} → RuCl_{3 gaz}

Il existe ainsi différents chlorures de ruthénium, comme le RuCl₂ et RuCl₃.

Le ruthénium est attaqué par le corps simple soufre, ainsi que de nombreux semi-métaux P, Se, Te, As, Sb...

Par exemple,

Ru _{solide cristal} + S_{corps simple soufre} → RuS_{2 solide}

Il forme très facilement des complexes, par exemple avec le gaz monoxyde de carbone (carbonyles), avec diverses oléfines de bonne conformation (ruthénocène...), avec l'acétylacétone...

• Les bougies d'allumage haut de gamme ont des électrodes recouvertes d'un alliage de platine et de ruthénium.
• En alliage, le ruthénium permet de rendre résistants le platine et le palladium et d'en faire par exemple des électrodes ou des plumes pour stylo.
• Il renforce également la résistance du titane à la corrosion.
• Il sert à la fabrication de disques durs depuis 2001. Il s'agit d'un revêtement de trois atomes d'épaisseur entre deux couches magnétiques. Ce matériau permet actuellement de stocker jusqu'à 25,7 Gb/in² et permettra d'atteindre les 400 Gb/in².
• Supraconducteur en alliage avec le Mo à des températures inférieures à 10,6 K.
• Il permet de catalyser la décomposition de l'acide formique (HCOOH) en dihydrogène (H₂) et dioxyde de carbone (CO₂), servant au stockage de dihydrogène pour alimenter une pile à combustible.
• Catalyse asymétrique en chimie organique (réduction de liaison carbonyle, réaction de métathèse).
• Dans les cellules photosensibles Grätzel, permettant de produire de l'électricité sur le modèle de la photosynthèse, il est utilisé dans le photo-pigment.
• Sert comme élément de revêtement de surface dans l'horlogerie et la joaillerie (mouvements, bijoux, etc).

En septembre et octobre 2017, des niveaux de rayonnement accrus de ruthénium 106 ont été mesurés dans les aérosols de l'atmosphère de plusieurs pays européens, dont en Allemagne, à un niveau tout au plus aussi élevé que le rayonnement de fond naturel, et donc a priori peu dangereux, mais mystérieux quant à son origine.
L'analyse du flux atmosphérique indique une source située au sud de l'Oural, en Russie ou au Kazakhstan. D'après l’IRSN la zone la plus plausible se situe entre la Volga et l’Oural, sans qu’il soit possible de préciser la localisation exacte du point de rejet[11] - [12].

Aucun accident de satellite (rarement équipés de batteries isotopiques à base de cet isotope) n'ayant été enregistré, une source perdue par un centre médical est suspectée. La quantité est estimée à 100-300 térabecquerels, soit une radioactivité à risque pour la population locale.

Selon l'IRSN l'incident signalé en octobre en Europe de l'Ouest, aurait eu lieu au cours de la dernière semaine du mois de septembre, très probablement dans le complexe nucléaire Maïak au sud de la Russie[13]. Une fuite aurait pu avoir eu lieu lorsque des techniciens ont bâclé la fabrication d'une source de cérium 144 nécessaire à la recherche de neutrinos stériles faite au Laboratoire national du Gran Sasso à L'Aquila (Italie)[13]. Le gouvernement russe a cependant vigoureusement nié qu'un accident ait eu lieu sur ce site[13].

Dans la logique des normes européennes, le niveau de radioactivité produit par cet incident aurait produit un dépassement des seuils maximaux de contamination des denrées alimentaires sur des distances de l’ordre de quelques dizaines de kilomètres autour du point de rejet. L'IRSN juge, la probabilité d’un scénario qui verrait l’importation en France de denrées (notamment des champignons) contaminés par du ruthénium 106 est « extrêmement faible », ajoutant que « les conséquences d’un accident de cette ampleur en France auraient nécessité localement de mettre en œuvre des mesures de protection des populations sur un rayon de l’ordre de quelques kilomètres autour du lieu de rejet » (IRSN).

La CRIIRAD reste prudente ; pour elle, le rejet de cet incident est 375 000 fois supérieure au rejet annuel maximal autorisé de la centrale nucléaire de Cruas (Ardèche). La CRIRAD estime qu'une fois le produit retombé sur le sol sur le couvert végétal, il peut induire une contamination durable.

Comme celle des autres platinoïdes, son écotoxicité est mal connue, mais on sait qu'il est chez les animaux à sang chaud bioaccumulé dans les os.
Sous forme de tétroxyde de ruthénium (RuO₄), il a des propriétés proches de celles du tétroxyde d'osmium (il est alors très toxique, volatil et peut causer des explosions s'il est mis en contact avec des matières combustibles[14]).

La cinétique et la répartition dans divers organismes aquatiques du ruthénium 106 soluble (sous forme de complexes de nitrate de nitrosyle) ont été étudiées en 1970 - en laboratoire - après absorption par des animaux exposés à ce produit en solution dans l'eau durant un à dix jours[15] - de manière à mieux comprendre et comparer cette cinétique selon le type d’organisme considéré (invertébré racleur ou filtreur, poisson). Les espèces testées étaient Anadonta anatina (une sorte de moule d'eau douce) et deux escargots d'eau douce Lymnaea stagnalis et Viviparus contectus ainsi qu'un poisson d'eau douce (Alburnus lucidus) et plusieurs organismes marins : Fucus vesiculosus (une algue de la famille des Fucaceae), Mytilus edulis (la moule commune), Littorina littorea et Purpura lapillus (deux gastéropodes marins souvent utilisés comme bioindicateurs)[15]. Il a été suggéré à cette occasion que ces espèces absorbent très différemment cette forme du ruthénium (l'escargot en fixe bien plus que le poisson), que l'absorption semble fortement dépendante de la température (chez toutes les espèces étudiées) et que certaines espèces le fixent dans des parties non vitales de leur organisme (byssus, coquille).

• (fr) Le ruthénium présenté par la société chimique de France
• (fr) Présentation du platine et des platinoïdes
• (fr) description de l'élément
• (en) Présentation scolaire
• (en) « Technical data for Ruthenium » (consulté le 13 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope