Ruthénium
Le ruthénium est l'élément chimique de numéro atomique 44, de symbole Ru.
Le ruthénium fait partie du groupe du platine, un sous-groupe de métaux de transition. Le corps simple ruthénium est un métal dur et cassant à température ambiante.
Histoire et généralité sur l'élément
Le ruthénium a été identifié dans les résidus poudreux noirs de production de platine et isolé en 1844 par le chimiste Carl Ernst Klaus, dit affectueusement en russe Karl Karlovitch (Klaus) ou Karl Karlovic Klaus en ukrainien. Il a montré que l'oxyde de ruthénium contenait un nouveau métal inconnu et en a extrait six grammes de la partie insoluble dans l'eau régale du platine brut.
Le ruthénium, probablement en faible teneur ou à l'état de traces, avait déjà échappé à l'analyse de Smithson Tennant en 1803 et 1804. Jöns Jacob Berzelius émit un doute suivi d'un véto scientifique sur les travaux, probablement maladroitement rédigés, du pharmacien chimiste Gottfried Osann, alors en poste à l'école de chimie de Dorpat en Estonie qui pensait l'avoir découvert en 1828. Ce dernier chercheur avait en effet examiné les résidus de la dissolution du platine brut des montagnes russes de l'Oural dans l'eau régale et assurait avoir trouvé trois nouveaux éléments dans la liqueur jaune (en réalité Ir, Rh, Ru) et, plein d'assurance, il avait nommé l'un d'entre eux encore inconnu « ruthénium », signifiant en latin "relatif à la Russie". Berzelius en refaisant l'expérience n'avait pas trouvé de nouveau métal en quantité significative, puisque, averti des travaux anglo-saxons, il connaissait l'iridium et le rhodium.
En 1844, le métal ruthénium a été obtenu pour la premiÚre fois par Karl Karlovitch Klaus à l'état pur et surtout en quantité. Ce chercheur estonien né à Dorpat, russe d'origine allemande, travaillant à l'université de Kazan réexamine avec prudence des résidus similaires, développe la chimie du ruthénium, confirme les travaux pionniers d'Osann sur cet élément précis et maintient la dénomination de « Ruthénium », adaptation du latin Ruthenia « Russie ». Toutefois avant de partir vers une explication nationaliste, il est préférable de penser qu'il s'agit à l'origine de la "qualification savante" de l'origine du platine.
Le chimiste polonais JÄdrzej Ćniadecki l'a Ă©galement isolĂ© en 1807 (il l'avait nommĂ© vestium) Ă partir de minerai de platine, mais il renonça aux droits sur sa dĂ©couverte.
Le ruthĂ©nium est obtenu Ă partir de la liqueur jaune, qui rassemble en milieu aqueux les autres platinoĂŻdes aprĂšs extraction du platine et surtout de l'osmium. Le traitement de cette liqueur permet d'obtenir une Ă©ponge mĂ©tallique, puis des cristaux d'iridium et de ruthĂ©nium en principe sĂ©parables, mais souvent en pratique en alliage. Les cristaux mĂ©talliques peuvent ĂȘtre chauffĂ©s au creuset d'argent avec un mĂ©lange d'alcalis fondus, Ă base de potasse KOH et de nitrate de potassium KNO3. Le lavage Ă l'eau permet de dissoudre le ruthĂ©niate de potassium jaune et d'obtenir un rĂ©sidu ou prĂ©cipitĂ© Ă base d'oxyde d'iridium. Ce ruthĂ©niate de potassium est traitĂ© Ă chaud par le dichlore (Cl2) en cornue, puis l'acide ou l'anhydride hyperruthĂ©nique RuO4 est distillĂ©. Une dissolution d'anhydride hyperruthĂ©nique saturĂ©e est rĂ©alisĂ©e avec de la potasse Ru2CO3, un chauffage lĂ©ger avec l'alcool permet de prĂ©cipiter et de rĂ©cupĂ©rer ainsi le mĂ©tal Ru.
Avec le rhodium, le palladium, l'osmium, l'iridium, et le platine natif il fait partie du « groupe du platine ». Ce platinoïde fait partie du sous-groupe de l'osmium et dans un sens plus large du groupe 8.
Isotopes
Le ruthénium possÚde 34 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 87 et 120, et 7 isomÚres nucléaires. Parmi ces isotopes, sept stables, 96Ru, 98Ru, 99Ru, 100Ru, 101Ru, 102Ru et 104Ru, et constituent l'intégralité du ruthénium naturellement présent, le plus abondant étant 102Ru (31,5 %). On attribue au ruthénium une masse atomique standard de 101,07(2) u[7].
Résonance magnétique nucléaire
Parmi les isotopes stable du ruthĂ©nium, les isotopes 99Ru et 101Ru possĂšdent tous les deux le spin nuclĂ©aire 5/2[8]. Il est donc possible de faire de la RMN du ruthĂ©nium. Leurs rapports gyromagnĂ©tiques sont 1,234 et 1,383 (en 107rad.Tâ1.sâ1) respectivement. Comme les autres isotopes n'ont pas de spin nuclĂ©aire ils sont inutilisables en RMN.
Par ailleurs, les spins (nucléaire ou électronique) voisins sont donc potentiellement couplés avec le ruthénium.
Abondance naturelle, minéralogie et géologie
Le clarke de l'élément Ru est légÚrement inférieur à 1 mg/tonne.
On le rencontre rarement à l'état natif (sous forme de métal nommé ruthénium natif contenant souvent de l'iridium ) ou la plupart du temps en alliage à faible teneur avec du platine et de l'iridium.
Il a les mĂȘmes minerais que le platine, emblĂšme des platinoĂŻdes. Le minĂ©ral, composant de son minerai direct le plus important, est la laurite (RuS2). On rencontre Ă©galement des traces de ruthĂ©nium et d'autres platinoĂŻdes dans une sĂ©rie de minerais de nickel et de cuivre.
Sites de production
La production mondiale s'élÚve 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.
Corps simple et corps composés chimiques
Propriétés physiques et chimique du corps simple métallique
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 systÚme cristallin hexagonal, en particulier caractérisé par un réseau hexagonal compact.
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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 atmosphÚre 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.
Alliages ou associations
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 trÚs durs. Ils peuvent servir en bijouterie, ou banalement comme pointe de stylo ou piÚce de résistance mécanique, mais aussi aux contacts électriques, dans divers relais et contacteurs électriques.
Il augmente également, ajouté en trÚs 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.
Chimie et combinaisons
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 oxygÚne.
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 F2 gaz â RuF3 gaz
Il existe ainsi différents fluorures, comme le RuF3, RuF4, RuF5, RuF6.
Il réagit aussi avec les autres corps simple halogÚnes par exemple le gaz chlore.
- Ru solide cristal, en poudre, chauffĂ©e au rouge + 3/2 Cl2 gaz â RuCl3 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 + Scorps simple soufre â RuS2 solide
Il forme trÚs facilement des complexes, par exemple avec le gaz monoxyde de carbone (carbonyles), avec diverses oléfines de bonne conformation (ruthénocÚne...), avec l'acétylacétone...
Utilisation du corps simple et des composés
- 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 Ă la fabrication de disques durs depuis 2001. Il s'agit d'un revĂȘtement de trois atomes d'Ă©paisseur entre deux couches magnĂ©tiques. Ce matĂ©riau permet actuellement de stocker jusqu'Ă 25,7 Gb/inÂČ et permettra d'atteindre les 400 Gb/inÂČ.
- 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 dihydrogÚne (H2) et dioxyde de carbone (CO2), servant au stockage de dihydrogÚne pour alimenter une pile à combustible.
- Catalyse asymétrique en chimie organique (réduction de liaison carbonyle, réaction de métathÚse).
- Dans les cellules photosensibles GrÀtzel, permettant de produire de l'électricité sur le modÚle de la photosynthÚse, il est utilisé dans le photo-pigment.
- Sert comme Ă©lĂ©ment de revĂȘtement de surface dans l'horlogerie et la joaillerie (mouvements, bijoux, etc).
Toxicité, écotoxicité
Ce métal est en augmentation dans l'environnement. Il n'a pas de rÎle connu d'oligoélément.
Il attaque la peau humaine. Il est suspectĂ© d'ĂȘtre cancĂ©rigĂšne[10]. Sa teneur dans l'environnement, y compris dans les sĂ©diments (par exemple d'un lac Ă©tudiĂ© prĂšs de Boston) semble en augmentation rĂ©cente (depuis l'introduction des catalyseurs platinoĂŻdes, notamment Ă grande Ă©chelle dans les pots catalytiques destinĂ©s Ă diminuer certains paramĂštres de la pollution automobile).
Incident d'octobre 2017
En septembre et , des niveaux de rayonnement accrus de ruthénium 106 ont été mesurés dans les aérosols de l'atmosphÚre 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 atmosphĂ©rique indique une source situĂ©e au sud de l'Oural, en Russie ou au Kazakhstan. D'aprĂšs lâIRSN la zone la plus plausible se situe entre la Volga et lâOural, sans quâil soit possible de prĂ©ciser 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 derniÚre semaine du mois de septembre, trÚs probablement dans le complexe nucléaire Maïak au sud de la Russie[13]. Une fuite aurait pu avoir eu lieu lorsque des techniciens ont bùclé 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 europĂ©ennes, le niveau de radioactivitĂ© produit par cet incident aurait produit un dĂ©passement des seuils maximaux de contamination des denrĂ©es alimentaires sur des distances de lâordre de quelques dizaines de kilomĂštres autour du point de rejet. L'IRSN juge, la probabilitĂ© dâun scĂ©nario qui verrait lâimportation en France de denrĂ©es (notamment des champignons) contaminĂ©s par du ruthĂ©nium 106 est « extrĂȘmement faible », ajoutant que « les consĂ©quences dâun accident de cette ampleur en France auraient nĂ©cessitĂ© localement de mettre en Ćuvre des mesures de protection des populations sur un rayon de lâordre de quelques kilomĂštres 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 (ArdÚche). La CRIRAD estime qu'une fois le produit retombé sur le sol sur le couvert végétal, il peut induire une contamination durable.
ĂcotoxicitĂ©
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 trÚs toxique, volatil et peut causer des explosions s'il est mis en contact avec des matiÚres combustibles[14]).
La cinĂ©tique et la rĂ©partition dans divers organismes aquatiques du ruthĂ©nium 106 soluble (sous forme de complexes de nitrate de nitrosyle) ont Ă©tĂ© Ă©tudiĂ©es en 1970 - en laboratoire - aprĂšs absorption par des animaux exposĂ©s Ă ce produit en solution dans l'eau durant un Ă dix jours[15] - de maniĂšre Ă mieux comprendre et comparer cette cinĂ©tique selon le type dâorganisme considĂ©rĂ© (invertĂ©brĂ© racleur ou filtreur, poisson). Les espĂšces testĂ©es Ă©taient 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 gastĂ©ropodes marins souvent utilisĂ©s comme bioindicateurs)[15]. Il a Ă©tĂ© suggĂ©rĂ© Ă cette occasion que ces espĂšces absorbent trĂšs diffĂ©remment cette forme du ruthĂ©nium (l'escargot en fixe bien plus que le poisson), que l'absorption semble fortement dĂ©pendante de la tempĂ©rature (chez toutes les espĂšces Ă©tudiĂ©es) et que certaines espĂšces le fixent dans des parties non vitales de leur organisme (byssus, coquille).
Notes et références
- (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, , 90e éd., 2804 p., Relié (ISBN 978-1-420-09084-0)
- (en) Beatriz Cordero, VerĂłnica GĂłmez, Ana E. Platero-Prats, Marc RevĂ©s, Jorge EcheverrĂa, Eduard Cremades, Flavia BarragĂĄn et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,â , p. 2832 - 2838 (DOI 10.1039/b801115j)
- (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC, , 89e Ă©d., p. 10-203
- Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
- Entrée « Ruthenium, Powder » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais) (JavaScript nécessaire)
- SIGMA-ALDRICH
- Table of Standard Atomic Weights 2013 â CIAAW (en)
- E.A.V. Ebsworth, D.W.H Rankin, S. Cradock (1987). Structural Methods in Inorganic Chemistry. Blackwell, scientific publication. p. 33.
- Le mélange eau régale - chlorate de potassium entraßne une attaque oxydante quasi immédiate et explosive, trÚs dangereuse.
- Inhalation of radionuclides and carcinogenesis
- « DĂ©tection de ruthĂ©nium-106 en France et en Europe : RĂ©sultat des investigations de lâIRSN », sur www.irsn.fr (consultĂ© le ).
- « Un mystĂ©rieux accident nuclĂ©aire se serait produit fin septembre en Russie », Le Monde.fr,â (lire en ligne, consultĂ© le ).
- Edwin Cartlidge (2018) Isotope cloud linked to failed neutrino source | Science 16 février 2018: Vol.359, Issue 6377, pp. 729 DOI: 10.1126/science.359.6377.729
- Tojo, G. and FernĂĄndez, M. (2007). "Ruthenium Tetroxide and Other Ruthenium Compounds". Oxidation of Primary Alcohols to Carboxylic Acids. New York: Springer. p. 61â78. doi:10.1007/0-387-35432-8, (ISBN 978-0-387-35431-6).
- Van der Borght, O., & Van Puymbroeck, S. (1970). Initial Uptake, Distribution and Loss of Soluble 106Ru in Marine and Freshwater Organisms in Laboratory Conditions. Health physics, 19(6), 801-811 (résumé).
Bibliographie
- P.P. Ewald et C. Hermann, "Ruthenium, Ru", Strukturbereicht, Tome 1, page 69
Voir aussi
Articles connexes
- Analyse physique des platinoĂŻdes aprĂšs fusion au peroxyde
- Catalyse de la métathÚse des oléfines, de la réaction de Bosch, de Fischer-Tropsch
- Catalyseur de Grubbs
- Catalyseur de Shvo
- Chlorure de ruthénium(III)
- Complexe igné du Bushveld en Afrique du Sud
- Complexe de Roper
- Ru détecteur d'oxygÚne dans les oxymÚtres
- Dioxyde de ruthénium
- Dodécacarbonyle de triruthénium
- ĂlĂ©ments du bloc d
- ĂlĂ©ments du groupe 8
- ĂlĂ©ments de la pĂ©riode 5
- Groupe du platine
- MĂ©tallocĂšne
- MĂ©tal de transition
- MĂ©tal noble
- Perruthénate de tétrapropylammonium
- catalyseur Ru/alumine pour la réaction de Sabatier
- Ru issu du Technétium du réacteur nucléaire naturel d'Oklo
- Rouge de ruthénium
- RuthénocÚne
- Ruthénium natif
- Tétroxyde de ruthénium
Liens externes
- (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 ), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
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1 | H | He | |||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | |||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | |||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | |||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | |||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | |
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |
8 | 119 | 120 | * | ||||||||||||||||||||||||||||||
* | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 |