الروديوم: التاريخ ، الخصائص ، الهيكل ، الاستخدامات ، المخاطر - كيمياء - 2024

و الروديوم هو معدن الانتقال ينتمون إلى مجموعة البلاديوم والذي هو رمز ره الكيميائية. إنه نبيل وخامل في الظروف العادية ، في حين أنه نادر ومكلف ، لأنه ثاني أقل المعادن وفرة في القشرة الأرضية. أيضا ، لا توجد معادن تمثل طريقة مربحة للحصول على هذا المعدن.

على الرغم من أن مظهره يشبه المعدن الأبيض الفضي النموذجي ، إلا أن معظم مركباته تشترك في لون ضارب إلى الحمرة ، بالإضافة إلى حقيقة أن حلولها تظهر نغمات وردية. ولهذا أطلق على هذا المعدن اسم "رودون" ، وهو اسم يوناني للوردي.

لؤلؤة الروديوم المعدني. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

ومع ذلك ، فإن سبائكه من الفضة ، وكذلك باهظة الثمن ، حيث يتم خلطها مع البلاتين والبلاديوم والإيريديوم. إن طابعه النبيل يجعله معدنًا يكاد يكون محصنًا ضد الأكسدة ، فضلاً عن مقاومته تمامًا للهجوم بواسطة الأحماض والقواعد القوية ؛ لذلك ، تساعد طبقاتها في حماية الأشياء المعدنية ، مثل المجوهرات.

بالإضافة إلى استخدامه في الزينة ، يمكن للروديوم أيضًا حماية الأدوات المستخدمة في درجات الحرارة العالية وفي الأجهزة الكهربائية.

من المعروف على نطاق واسع أنه يساعد على تفكيك غازات السيارات السامة (NO _x) داخل المحولات الحفازة. كما أنه يحفز إنتاج المركبات العضوية ، مثل المنثول وحمض الخليك.

ومن المثير للاهتمام ، أنه موجود فقط في الطبيعة مثل نظير ¹⁰³ Rh ، ومن السهل اختزال مركباته إلى المعدن بسبب طابعه النبيل. من بين جميع أرقام الأكسدة ، +3 (Rh ³⁺) هو الأكثر استقرارًا ووفرة ، يليه +1 ، وفي وجود الفلور ، +6 (Rh ⁶⁺).

في حالته المعدنية ، فهو غير ضار بصحتنا ، ما لم يتم استنشاق جزيئاته المنتشرة في الهواء. ومع ذلك ، تعتبر مركباته أو أملاحه الملونة من المواد المسببة للسرطان ، بالإضافة إلى ارتباطه الشديد بالجلد.

التاريخ

كان اكتشاف الروديوم مصحوبًا باكتشاف البلاديوم ، وقد اكتشف كلا المعدنين نفس العالم: الكيميائي الإنجليزي William H. Wollaston ، الذي كان بحلول عام 1803 يفحص معدنًا من البلاتين ، يفترض أنه من بيرو.

علمت من Hippolyte-Victor Collet-Descotils ، الكيميائي الفرنسي ، أن هناك أملاح حمراء في معادن البلاتين ، والتي ربما كان لونها بسبب عنصر معدني غير معروف. لذلك هضم ولاستون خام البلاتين الخاص به في ماء ريجيا ، ثم تعادل حموضة الخليط الناتج مع هيدروكسيد الصوديوم.

من هذا الخليط ، كان لدى ولاستون ، عن طريق تفاعلات الترسيب ، لفصل المركبات المعدنية ؛ وقام بفصل البلاتين باسم (NH ₄) ₂ ، بعد إضافة NH ₄ الكلور، والمعادن الأخرى التي خفضت مع الزنك المعدني. حاول إذابة هذه المعادن الإسفنجية باستخدام HNO ₃ ، تاركًا معدنين وعنصرين كيميائيين جديدين: البلاديوم والروديوم.

ومع ذلك ، عندما أضاف أكوا ريجيا ، لاحظ أن المعدن بالكاد يذوب ، في نفس الوقت الذي يكون فيه ترسبًا أحمر مع كلوريد الصوديوم: Na ₃ · nH ₂ O. وهذا هو المكان الذي جاء منه اسمه: اللون الأحمر لمركباته ، والمشار إليه بـ كلمة يونانية "رودون".

تم تقليل هذا الملح بالزنك المعدني ، مرة أخرى ، وبالتالي الحصول على الروديوم الإسفنجي. ومنذ ذلك الحين تحسنت تقنيات الحصول عليها ، كما تحسن الطلب والتطبيقات التكنولوجية ، وظهرت أخيرًا قطع روديوم لامعة.

الخصائص

مظهر جسماني

معدن أبيض فضي صلب بدون طبقة أكسيد تقريبًا في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، فهو ليس معدنًا مرنًا جدًا ، مما يعني أنه عندما تصطدم به ، سيتشقق.

الكتلة المولية

102.905 جم / مول

نقطة الانصهار

1964 درجة مئوية. هذه القيمة أعلى من قيمة الكوبالت (1495 درجة مئوية) ، مما يعكس زيادة في قوة أقوى رابطة معدنية أثناء نزولها عبر المجموعة.

نقطة الانصهار

3695 درجة مئوية. إنه أحد المعادن ذات أعلى نقاط انصهار.

كثافة

-12.41 جم / مل في درجة حرارة الغرفة

-10.7 جم / مل عند نقطة الانصهار ، أي فقط عندما يذوب أو يذوب

حرارة الانصهار

26.59 كيلوجول / مول

حرارة التبخير

493 كيلو جول / مول

السعة الحرارية المولية

24.98 جول / (مول · ك)

كهرسلبية

2.28 على مقياس بولينج

طاقات التأين

-الأول: 719.7 كيلوجول / مول (Rh ⁺ غازي)

- الثاني: 1740 كيلوجول / مول (Rh ²⁺ غازي)

الثالث: 2997 كيلوجول / مول (Rh ³⁺ غازي)

توصيل حراري

150 واط / (م · ك)

المقاومة الكهربائية

43.3 نانومتر عند 0 درجة مئوية

صلابة موس

6

ترتيب مغناطيسي

بارامغناطيسي

تفاعلات كيميائية

الروديوم ، على الرغم من أنه معدن نبيل ، لا يعني أنه عنصر خامل. بالكاد تصدأ في ظل الظروف العادية ؛ ولكن عندما يتم تسخينه فوق 600 درجة مئوية ، يبدأ سطحه في التفاعل مع الأكسجين:

Rh (s) + O ₂ (g) → Rh ₂ O ₃ (s)

والنتيجة أن المعدن يفقد بريقه الفضي المميز.

يمكن أن يتفاعل أيضًا مع غاز الفلور:

Rh (s) + F ₂ (g) → RhF ₆ (s)

إن RhF ₆ أسود اللون. إذا تم تسخينه ، فإنه يمكن أن يتحول إلى عامل عامل RhF ₅ ، مما يؤدي إلى إطلاق الفلورايد في البيئة. عندما يتم إجراء تفاعل الفلورة في ظل ظروف جافة ، يفضل تكوين عامل RhF ₃ (صلب أحمر) على تكوين عامل RhF ₆. الهاليدات الأخرى: RhCl ₃ و RhBr ₃ و RhI ₃ تتشكل بطريقة مماثلة.

ربما يكون الشيء الأكثر إثارة للدهشة في الروديوم المعدني هو مقاومته الشديدة للهجوم من قبل المواد المسببة للتآكل: الأحماض القوية والقواعد القوية. يمكن أن يذوب أكوا ريجيا ، وهو خليط مركّز من أحماض الهيدروكلوريك والنتريك ، HCl-HNO ₃ ، بصعوبة ، مما ينتج عنه محلول وردي.

تعتبر الأملاح المنصهرة ، مثل KHSO ₄ ، أكثر فعالية في إذابتها ، لأنها تؤدي إلى تكوين معقدات الروديوم القابلة للذوبان في الماء.

الهيكل والتكوين الإلكتروني

تتبلور ذرات الروديوم في الهيكل المكعب المتمركز على الوجه ، fcc. تظل ذرات Rh متحدة بفضل روابطها المعدنية ، وهي قوة مسؤولة على نطاق واسع عن الخصائص الفيزيائية القابلة للقياس للمعدن. في هذه الرابطة ، تتدخل إلكترونات التكافؤ ، والتي تُعطى وفقًا للتكوين الإلكتروني:

4d ⁸ 5s ¹

إنه بالتالي حالة شاذة أو استثناء ، حيث من المتوقع أن يكون له إلكترونان في مداره 5s ، وسبعة في مدار 4d (وفقًا لمخطط Moeller).

هناك ما مجموعه تسعة إلكترونات تكافؤ والتي ، مع نصف القطر الذري ، تحدد بلورة fcc ؛ هيكل يبدو مستقرًا للغاية ، حيث تم العثور على القليل من المعلومات عن أشكال التآصل المحتملة الأخرى تحت ضغوط أو درجات حرارة مختلفة.

يمكن لذرات Rh هذه ، أو بالأحرى حبيباتها البلورية ، أن تتفاعل بطريقة تؤدي إلى تكوين جسيمات نانوية ذات أشكال مختلفة.

عندما تنمو هذه الجسيمات النانوية Rh فوق قالب (مجمع بوليمري ، على سبيل المثال) ، فإنها تكتسب أشكال وأبعاد سطحه ؛ وهكذا ، تم تصميم كرات الروديوم المسامية لتحل محل المعدن في بعض التطبيقات التحفيزية (التي تسرع التفاعلات الكيميائية دون أن يتم استهلاكها في هذه العملية).

أعداد الأكسدة

نظرًا لوجود تسعة إلكترونات تكافؤ ، فمن الطبيعي أن نفترض أن الروديوم يمكن أن "يفقدهم جميعًا" في تفاعلاته داخل المركب ؛ أي ، بافتراض وجود الكاتيون Rh ⁹⁺ ، برقم أكسدة أو حالة 9+ أو (IX).

تتراوح أعداد الأكسدة الموجبة والموجودة للروديوم في مركباته من +1 (Rh ⁺) إلى +6 (Rh ⁶⁺). من بين كل منهم ، +1 و +3 هي الأكثر شيوعًا ، إلى جانب +2 و 0 (الروديوم المعدني ، Rh ⁰).

على سبيل المثال ، في Rh ₂ O _{3 ،} يكون عدد أكسدة الروديوم +3 ، لأنه إذا افترضت وجود Rh ³⁺ وخاصية أيونية 100٪ ، فسيكون مجموع الشحنات مساويًا للصفر (Rh ₂ ³⁺ أو ₃ ^2-).

مثال آخر يمثله عامل الريسوس ₆ ، حيث يكون رقم الأكسدة فيه الآن +6. مرة أخرى ، ستظل الشحنة الإجمالية للمركب محايدة فقط إذا افترض وجود Rh ⁶⁺ (Rh ⁶⁺ F ₆ ^-).

كلما زادت كهرسلبية الذرة التي يتفاعل معها الروديوم ، كلما زاد ميلها لإظهار أعداد أكسدة أكثر إيجابية ؛ هذا هو الحال مع RhF ₆.

في حالة Rh ⁰ ، فإنه يتوافق مع ذراته من الكريستال fcc المنسقة مع الجزيئات المحايدة ؛ على سبيل المثال ، CO ، Rh ₄ (CO) ₁₂.

كيف يتم الحصول على الروديوم؟

عيوب

على عكس المعادن الأخرى ، لا يتوفر معدن غني بما يكفي من الروديوم ليكون اقتصاديًا للحصول عليه. ولهذا فهو بالأحرى منتج ثانوي للإنتاج الصناعي للمعادن الأخرى ؛ على وجه التحديد النبلاء أو متجانساتهم (عناصر مجموعة البلاتين) والنيكل.

تأتي معظم المعادن المستخدمة كمواد خام من جنوب إفريقيا وكندا وروسيا.

عملية الإنتاج معقدة لأنه ، على الرغم من أنها خاملة ، يوجد الروديوم في الشركة مع المعادن النبيلة الأخرى ، بالإضافة إلى وجود شوائب يصعب إزالتها. لذلك ، يجب إجراء عدة تفاعلات كيميائية لفصلها عن المصفوفة المعدنية الأولية.

معالجة

إن تفاعلها الكيميائي المنخفض يبقيها دون تغيير أثناء استخراج المعادن الأولى ؛ حتى يبقى النبلاء فقط (الذهب بينهم). بعد ذلك ، تتم معالجة هذه المعادن النبيلة وصهرها في وجود أملاح ، مثل NaHSO ₄ ، للحصول عليها في خليط سائل من الكبريتات ؛ في هذه الحالة ، Rh ₂ (SO ₄) ₃.

إلى هذا الخليط من الكبريتات ، الذي يترسب منه كل معدن بشكل منفصل من خلال تفاعلات كيميائية مختلفة ، يضاف هيدروكسيد الصوديوم لتكوين هيدروكسيد الروديوم ، Rh (OH) _x.

يُعاد حل العامل Rh (OH) _x بإضافة حمض الهيدروكلوريك لتشكيل H ₃ RhCl ₆ ، والذي لا يزال مذابًا ويظهر لونًا ورديًا. ثم H ₃ RhCl ₆ يتفاعل مع NH ₄ الكلورين ونانو ₂ لترسيب باسم (NH ₄) ₃.

مرة أخرى ، يتم إعادة إذابة المادة الصلبة الجديدة في المزيد من حمض الهيدروكلوريك ويتم تسخين الوسط حتى تترسب إسفنجة من الروديوم المعدني أثناء احتراق الشوائب.

التطبيقات

الطلاءات

صوت مزدوج صغير مطلي بالفضة ومطلي بالروديوم. المصدر: ماورو كاتيب (https://www.flickr.com/photos/mauroescritor/8463024136)

يتم استخدام طابعه النبيل لتغطية القطع المعدنية بطبقة من نفس الشيء. بهذه الطريقة ، تُطلى الأشياء الفضية بالروديوم لحمايتها من التأكسد والظلام (تشكل طبقة سوداء من AgO و Ag ₂ S) ، فضلاً عن أن تصبح أكثر انعكاساً (لامعة).

تُستخدم هذه الطلاءات في ملابس المجوهرات ، والعاكسات ، والأدوات البصرية ، والملامسات الكهربائية ، وفلاتر الأشعة السينية في تشخيص سرطان الثدي.

سبائك

إنه ليس فقط معدنًا نبيلًا ولكنه معدن صلب أيضًا. يمكن أن تساهم هذه الصلابة في السبائك التي تتكون منها ، خاصة عندما يتعلق الأمر بالبلاديوم والبلاتين والإيريديوم ؛ منها Rh-Pt هي الأكثر شهرة. كما يعمل الروديوم على تحسين مقاومة هذه السبائك لدرجات الحرارة المرتفعة.

على سبيل المثال ، تُستخدم سبائك الروديوم والبلاتين كمواد لصنع الزجاج الذي يمكن أن يشكل الزجاج المصهور ؛ في صناعة المزدوجات الحرارية القادرة على قياس درجات الحرارة العالية (أكثر من 1000 درجة مئوية) ؛ البوتقات ، البطانات لتنظيف الألياف الزجاجية ، ملفات فرن الحث ، محركات توربينات الطائرات ، شمعات الإشعال ، إلخ.

المحفزات

المحول الحفاز للسيارة. المصدر: Ballista

يمكن للروديوم أن يحفز التفاعلات إما كمعدن نقي أو منسق مع الروابط العضوية (العضوية). يعتمد نوع المحفز على التفاعل المحدد الذي يجب تسريعه ، بالإضافة إلى عوامل أخرى.

على سبيل المثال، في شكله معدني يمكن أن تحفز الحد من أكاسيد النيتروجين، NO _العاشر ، إلى الأكسجين الغازات المحيطة والنيتروجين:

2 NO _x → x O ₂ + N ₂

يحدث هذا التفاعل باستمرار على أساس يومي: في المحولات الحفازة للمركبات والدراجات النارية. وبفضل هذا التخفيض، NO _س الغازات لا تلوث المدن إلى درجة أسوأ. لهذا الغرض، وقد استخدمت النانوية الروديوم mesoporous، الأمر الذي يزيد من تحسين تحلل NO _س الغازات.

يستخدم المركب ، المعروف باسم محفز ويلكنسون ، في هدرجة (إضافة H ₂) و hydroformylate (إضافة CO و H ₂) لتكوين الألكانات والألدهيدات ، على التوالي.

تُستخدم محفزات الروديوم لفترة وجيزة في الهدرجة والكربونات (إضافة ثاني أكسيد الكربون) والهيدروفيورميلات. والنتيجة هي أن العديد من المنتجات تعتمد عليها ، كما هو الحال مع المنثول ، وهو مركب كيميائي أساسي في مضغ العلكة ؛ بالإضافة إلى حمض النتريك ، سيكلوهكسان ، حمض الخليك ، السيليكون العضوي ، من بين أمور أخرى.

المخاطر

الروديوم ، كونه معدنًا نبيلًا ، حتى لو تسرب إلى أجسامنا ، لا يمكن استقلاب ذراته (على حد علمه). لذلك ، فهي لا تشكل أي مخاطر صحية ؛ ما لم يكن هناك الكثير من ذرات Rh متناثرة في الهواء ، والتي يمكن أن تنتهي بالتراكم في الرئتين والعظام.

في الواقع ، في عمليات طلاء الروديوم على المجوهرات الفضية أو المجوهرات ، يتعرض صانعو المجوهرات لهذه "نفث" الذرات ؛ سبب معاناتهم من عدم الراحة في الجهاز التنفسي. فيما يتعلق بخطر المواد الصلبة المقسمة بدقة ، فهي ليست قابلة للاشتعال ؛ إلا عند الاحتراق في وجود ₂.

تصنف مركبات الروديوم على أنها سامة ومسببة للسرطان ، وتلطيخ ألوانها البشرة بعمق. فيما يلي اختلاف واضح آخر في كيفية اختلاف خصائص الكاتيون المعدني مقارنة بالمعدن منه.

وأخيرًا ، في الأمور البيئية ، فإن ندرة الروديوم وقلة امتصاصه من قبل النباتات تجعله عنصرًا غير ضار في حالة الانسكابات أو النفايات ؛ مادام الروديوم المعدني.

المراجع

1. لارس أورستروم. (12 نوفمبر 2008). الروديوم. الكيمياء في عنصرها. تم الاسترجاع من: chemistryworld.com
2. ويكيبيديا. (2019). الروديوم. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية. (2019). الروديوم. قاعدة بيانات PubChem. CID = 23948. تم الاسترجاع من: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. S. بيل. (1958). هيكل الروديوم. مختبرات أبحاث جونسون ماثي. معادن البلاتين القس ، (2) ، 21 ، 61-63
5. جيانغ ، ب. وآخرون. (2017). جزيئات الروديوم النانوية المعدنية المسامية. نات. كومون. 8 ، 15581 دوى: 10.1038 / ncomms15581
6. شيلات. (27 يونيو 2018). التعرض للروديوم. تم الاسترجاع من: chelationcommunity.com
7. بيل تيرينس. (25 يونيو 2019). الروديوم ، معدن نادر من مجموعة البلاتين وتطبيقاته. تم الاسترجاع من: thebalance.com
8. ستانلي إي ليفينجستون. (1973). كيمياء الروثينيوم والروديوم والبلاديوم والأوزميوم والإيريديوم والبلاتين. SE ليفينغستون. مطبعة بيرغامون.
9. معهد طوكيو للتكنولوجيا. (21 يونيو 2017). محفز أساسه الروديوم لصنع السيليكون العضوي باستخدام معادن أقل قيمة. تم الاسترجاع من: phys.org
10. بيلجارد مايكل. (10 مايو 2017). الروديوم: تفاعلات كيميائية. تم الاسترجاع من: pilgaardelements.com
11. دكتور دوج ستيوارت. (2019). حقائق عنصر الروديوم. تم الاسترجاع من: chemicool.com