عنصر رودیم (Rhodium) با نماد شیمیایی Rh، یکی از عناصر شیمیایی جدول مندلیف است که عدد اتمی آن ۴۵ می باشد. این عنصر در حقیقت چهل و پنجمین عنصر از جدول تناوبی بوده که در گروه IXB و دوره پنجم جدول تناوبی قرار دارد. در واقع عنصر رودیوم یک فلز واسطه کمیاب (Transition Metals) سخت و به رنگ سفید- نقره ای است. این فلز با عناصر کبالت (Co)، ایریدیوم (Ir) و ماینتریوم (Mt)، در گروه نه واسطه جدول تناوبی قرار گرفته است. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی عنصر رودیوم پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- تاریخچه کشف عنصر رودیم
۲- پیدایش و منابع عنصر شماره ۴۵ جدول تناوبی
۳- ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر رودیم
۱-۳- گروه فلزات نجیب و گروه پلاتین جدول تناوبی
۴- ایزوتوپ های عنصر رودیم
۵- کاربرد های عنصر رودیم
۶- ترکیبات عنصر رودیم
۷- خطرات رودیم بر روی سلامتی انسان
تاریخچه کشف عنصر رودیم
برای نخستین بار در سال ۱۸۰۳ میلادی، شیمیدان انگلیسی به نام ویلیام هاید ولاستون (William Hyde Wollaston) توانست عنصر رودیوم را کشف و نامگذاری کند. نام این عنصر از کلمه لاتین رودون (Rhodon) به معنی گل رز گرفته شده است. در واقع آقای ولاستون بعد از کشف فلز نادر پالادیوم، به طور اتفاقی رودیم را وقتی که می خواست پلاتین خالص را از سنگ معدنش جدا کند، کشف کرد. او از سنگ پلاتینی که در کشور پرو یافت شده بود استفاده کرده است. لازم به ذکر است که ولاسیتون برای اولین بار، توسط یک شیمیدان فرانسوی از احتمال وجود عنصر جدید و ناشناخته ای در سنگ معدن پلاتین مطلع شد. که شیمیدان فرانسوی معتقد بود که رنگ قرمز برخی از نمک های پلاتین به دلیل وجود این فلز ناشناس است.
ولاستون ابتدا پلاتین را در محلول تیزاب سلطانی حل کرده و سپس اسید بدست آمده را با اضافه کردن هیدروکسید سدیم خنثی نموده است. در مرحله بعد، با اضافه کردن کلرید آمونیوم به آن، توانست پلاتین را ته نشین کند. عنصر پالادیوم را نیز به وسیله سیانید جیوه و به شکل پالادیم سیانید از محلول حذف کرد. در این مرحله و بعد از جدا كردن عناصر پلاتین و پالادیم از نمونه سنگ معدن، ماده باقیمانده به صورت یک پودر قرمز رنگ بود. بعد ها مشخص شد که این ماده قرمز رنگ، در حقیقت سدیم رودیم کلرید می باشد. رودیم با استفاده از گاز هیدروژن و در طی فرآیند احیای نمک کلرید رودیم، جدا شد.
پیدایش و منابع عنصر شماره ۴۵ جدول تناوبی
عنصر رودیوم فلزی بسیار نادر در طبیعت است که به عنوان یک محصول جانبی، در خلال فرآیند استخراج فلزاتی مثل پلاتین بدست می آید. این فلز در معادن به شکل ترکیبی با دیگر فلزات همچون پالادیوم، نقره، پلاتین و طلا (اغلب در معادن پلاتین) وجود دارد. به عبارت دیگر، منبع اصلی این عنصر در شمال و جنوب آمریکا، ساحل رودخانه های کوه های اورال و همچنین معادن سولفید نیکل و مس در منطقه سادبری اونتاریو است. با وجود آنکه مقدار آن در ناحیه سادبری بسیار ناچیز است، اما وجود معادن بسیار زیاد نیکل باعث می شود که استخراج ردیوم به صرفه باشد. توجه داشته باشید که تولید سالیانه این عنصر تنها ۳۰ تن است. معادن ردیوم بسیار اندک هستند. بنابراین، فلز رودیوم بسیار گران قیمت می باشد.
بیشتر منابع فلزات گروه پلاتین در آفریقای جنوبی یافت می شوند. اما معادنی از آن در روسیه و کانادا نیز یافت شده است. تولید این فلزات شامل دو مرحله است. مرحله اول تصفیه اولیه فلزات پایه و مرحله دوم تصفیه تکمیلی در پالایشگاه فلزات گرانبها است. مراحل اصلی استخراج عبارتند از : شناور سازی یا فلوتاسیون، خردایش، ذوب و تبدیل نهایی. لازم به ذکر است که استخراج صنعتی عنصر رودیم، بسیار دشوار و پیچیده است. عنصر رودیم به عنوان یک فلز آزاد و یا آلياژ به ندرت در ترکیبات شیمیایی مواد معدنی مانند بادی و ردفولیسیت نیز پیدا می شود.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی عنصر رودیم
عنصر رودیوم، در واقع فلزی شکننده و کمیاب است که به راحتی شکل نمی گیرد. از ویژگی های فوق العاده آن می توان به شفافیت بالا، ضد خوردگی، مقاومت بسیار زیاد در مقابل فرسایش و لکه، قابلیت انعکاسی بالا (خاصیت بازتاب کنندگی بالا)، فلزی سخت تر از طلا، درخشندگی و جلای قابل توجه، دوام بالا، پایداری شیمیایی خوب و خواص کاتالیزوری عالی اشاره کرد. به علاوه، رودیم رسانای خوبی برای گرما و برق می باشد. این خواص باعث شده که امروزه رودیوم به یکی از نادر ترین فلزات تبدیل شود. این فلز در حقیقت گران ترین فلز بر روی زمین است که گاهی از آن در صنعت ساخت طلا و زیورآلات نیز استفاده می کنند.
خصوصیات قابل توجه رودیم از ساختار اتمی آن ([۳۶Kr] 4d۸۵s۱) ناشی می شود. همانطور که مشخص است، اوربیتال d لایه ما قبل آخر در این عنصر در حال پر شدن است. این عنصر به واسطه آرایش الکترونی که دارد، در گروه فلزات واسطه قرار گرفته است. فلزات واسطه در جدول تناوبی در میان فلزات قلیایی خاکی و عناصر گروه بور قرار گرفته اند. به عناصر واسطه، عناصر گروه B نیز گفته می شود. توجه داشته باشید که رودیوم تنها عنصر گروه هشت است که دو الکترون در لایه بیرونی خود ندارد. با توجه به آرایش الکترونی آن مشخص است که تنها یک الکترون در دورترین لایه الکترونی رودیم وجود دارد. شکل های قابل دسترس آن به صورت گرد و بلور های منفرد است.
جالب است بدانید که
این عنصر در هوا و زمانیکه به آرامی خنک می شود به یک رزوکسی اکسید تبدیل می شود. در حالیکه در دما های بالاتر دوباره به حالت فلز در می آید. نقطه ذوب فلز ردیوم نسبت به پلاتین بالاتر و چگالی آن پایین تر است. عنصر ردیم به وسیله اسید ها خورده نمی شود. بلکه در محلول تیزاب سلطانی حل می شود. به علاوه این فلز در اسید هیدروکریک حل می شود. در حالیکه در اسید نیتریک حل نمی گردد. رودیم در دمای طبیعی اتاق، به هیچ وجه مستعد خوردگی نیست. در هنگام ذوب شدن می تواند اکسیژن را جذب کند و در هنگام انجماد، اکسیژن جذب شده را می تواند آزاد نماید. از دیگر ویژگی های عنصر رودیوم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- حالت فیزیکی آن در دمای ۲۵ درجه سلسیوس و فشار ۱ اتمسفر به صورت جامد است.
- دمای ذوب و دمای جوش این عنصر به ترتیب ۱۹۶۴ و ۳۶۹۵ درجه سانتی گراد است.
- عنصر رودیم در هوا اکسید نمی شود. این عنصر حتی در مواجه با گرما نیز اکسید نمی شود.
- عنصر رودیم پارامغناطیس است.
- ساختار بلوری آن به شکل مکعبی مرکز وجوه پر (fcc) است.
- این عنصر آلوتروپ ندارد.
- جرم اتمی رودیم برابر با ۱۰۲.۹۰۵۵ g/mol است.
- چگالی آن نیز برابر با ۱۲.۴۱ g/cm۳ می باشد.
- یون های رودیم معمولا عدد اکسایش برابر با اعداد -۱، -۳، ۰، +۱، +۲، +۳، +۴، +۵ و +۶ دارند. در حقیقت یک اکسید آمفوتری محسوب می شود. اعداد اکسایش ۰ و +۳ متداول تر می باشند.
- اولین انرژی یونیزاسیون آن برابر با ۷۱۹.۷ kJ/mol است.
گروه فلزات نجیب و گروه پلاتین جدول تناوبی
لازم به ذکر است که عنصر رودیم در دسته فلزات نجیب قرار دارد. فلزات نجیب به فلزاتی گفته می شود که در برابر خوردگی و اکسیداسیون، به ویژه در آب و هوای مرطوب، مقاوم هستند. لیست کوتاه فلزات نجیب شامل عناصر رودیوم، روتنیم، پالادیوم، اوزیم، ایریدیم، پلاتین، نقره و طلا است. لیست بزرگتر شامل عناصر مس، رنیوم و جیوه نیز می شود. این فلزات در زمینه هایی همچون متالورژی، فناوری های پیشرفته و همچنین صنعت تزئینات مثل جواهرات، هنر، مقدسات و غیره مفید اند.
به خاطر مقاومت ویژه عنصر رودیم در برابر خوردگی، این عنصر یكی از فلزات گروه پلاتین محسوب می شود. در واقع فلزات خانواده پلاتین شامل شش فلز واسطه یعنی پلاتین، پالادیم، رودیم، روتنیم، ایریدیوم و اوسمیوم است. این فلزات دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی مشابه ای هستند. در نتیجه اغلب ذخایر معدنی مشابهی نیز دارند. فلزات خانواده پلاتین را می توان به دو زیر گروه، گروه ایریدیوم (اوسمیوم، ایریدیوم و رودیوم) و گروه پالادیم (پلاتین، پالادیم و رودیم) تقسیم بندی کرد.
همه فلزات گروه پلاتین در حقیقت از کمیاب ترین و گرانبها ترین فلزات محسوب می شوند. تمامی آنها وزن مخصوص بسیار بالایی دارند (به جز عنصر پالادیوم). عنصر رودیم مانند سایر فلزات خانواده پلاتین، نسبت به مواد شیمیایی مقاوم می باشد. به علاوه مقاومت بسیار بالایی در مقابل خوردگی و تیره شدن دارد. این عناصر تحمل حرارتی فوق العاده ای را نشان می دهند. همچنین مشخصات الکتریکی آنها پایدار است.
ایزوتوپ های عنصر رودیم
همانطور که در مقالات پیشین نشریه بیان شده است، ایزوتوپ های یک عنصر، در تعداد نوترون ها با یکدیگر تفاوت دارند. عنصر رودیوم ایزوتوپ های فراوانی دارد. رودیمی که در طبیعت وجود دارد دارای تنها یک ایزوتوپ ۱۰۳Rh (100 %) می باشد. پایدار ترین ایزوتوپ های رادیواکتیوی آن عبارتند از : ۱۰۱Rh با نیمه عمر ۳/۳ سال، ۱۰۲Rhm با نیمه عمر ۲/۹ سال و ۱۰۲Rh با نیمه عمر ۲۰۷ روز. تعداد بیست رادیو ایزوتوپ دیگر نیز برای این عنصر شناخته شده است. وزن اتمی آنها از ۹۲/۹۲۶ تا ۱۱۶/۹۲۵amu گزارش شده است. تعداد زیادی از این ایزوتوپ های رادیواکتیوی نیمه عمری کمتر از یک ساعت دارند. در جدول زیر نیمه عمر تعدادی از رادیو ایزوتوپ های فلز رودیوم را مشاهده می کنید.
کاربرد های عنصر رودیم
همانطور که گفته شد، عنصر رودیم یکی از کمیاب ترین عناصر شیمیایی است که کاربرد های ویژه ای در صنعت دارد. کاربرد اصلی این فلز در ساخت مبدل های کاتالیست خودرو ها است. در واقع رودیم به عنوان یک کاتالیزور به همراه پلاتین و پالادیوم در ساخت این قطعه خودرو به منظور کاهش گاز های سمی خروجی از اگزوز موتور بکار می رود. این عنصر همچنین در تولید موتور های توربینی مانند موتور های جت نیز استفاده می شود.
از عنصر رودیوم در ساخت آلياژ ها و کاتالیزور ها با پلاتین استفاده می کنند. به بیان دیگر، این عنصر بیشتر با پلاتین یا پالادیوم آلیاژ می شود. در این صورت، در پوشش های مقاوم در برابر حرارت و در دما های بالا و اتصالات الکتریکی کاربرد دارد. به علاوه، رودیم می تواند مقاومت در برابر خوردگی عناصر کروم و تیتانیوم را در برابر اسید های غیر اکسید کننده، بهبود بخشد. این آلیاژ ها در سیم پیچ های کوره، سوزن های گرامافون، نوک های قلم، ترموکوپل، قطعات حساس صنعتی، سیم های مقاوم در برابر حرارت بالا، برخی از ابزار های پزشکی و جراحی، الکترود های شمع های هواپیما، موتور های توربین هواپیما، یاتاقان ها و رابط های الکتریکی کاربرد دارند.
مقاومت بسیار زیاد رودیم در برابر فرسایش و واکنش های شیمیایی، سبب می شود تا گزینه بسیار مناسبی برای سنجش دما های بسیار بالا و به عنوان ترموکوپل در کوره های صنعتی باشد. رودیم همچنین به عنوان یک ردیاب و یابنده، جهت اندازه گیری سطح شار نوترون در راکتور های هسته ای بکار می رود. از طرفی به منظور تولید اسید نیتریک و همچنین استفاده در هیدروژناسیون ترکیبات آلی نیز استفاده می شود. در صنایع شیشه ای و اغلب جهت تولید فایبر گلاس و شیشه تخت نیز استفاده شده است.
جالب است بدانید که
عنصر رودیم در ساخت جواهرات نیز کاربرد دارد. اغلب از آن برای پنهان کردن نواقص جواهرات، ترمیم آنها، براق کردن و صیقل دادن آنها بهره می برند. استفاده از یک لایه بسیار نازک رودیم نیز می تواند درخشش و جلای قابل توجه، جذابیت بالا و مقاومت بالا در برابر فرسایش و تیرگی به جواهرات بدهد. در واقع وقتی که از رودیم برای آبکاری جواهرات استفاده می شود، دوام آن فلز افزایش پیدا خواهد کرد. در حقیقت رنگ خاص و درخشان طلای سفید به دلیل همین روکش رودیم می باشد. لازم به ذکر است که از این عنصر به عنوان روکش نقره و همچنین جواهرات بدلی نیز استفاده می شود.
توجه داشته باشید که در ساخت طلای سفید معمولا از نیکل استفاده می شود. نیکل نیز مانند نقره می تواند حساسیت های پوستی در افراد ایجاد کند. بنابراین با کمک آبکاری رودیم، می توانید از ابتلا به حساسیت های پوستی جلوگیری نمایید. علاوه بر آن، به دلیل درخشندگی و مقاومت در برابر لکه دار شدن، می توان از آن به عنوان روکش نورافکن ها، چراغ ها و آینه ها نیز استفاده شود. از دیگر کاربرد های ترکیبات رودیم می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- به عنوان پوشش اعمالی بر روی محصولات تزئینی
- ساخت قطعات موتور های توربو
- پایان کاری آینه های براق در صنایع اپتیک
- تولید اجزای سازه های نوری
- تولید نمایشگر های کریستال مایع (LCD) و لوله های اشعه کاتدی (CRT)
ترکیبات عنصر رودیم
همانطور که بیان شد اکسید رودیوم یکی از مهمترین ترکیبات فلز رودیوم است. توجه داشته باشید که ترکیبات رودیم بسیار سمی و سرطان زا می باشند. از دیگر ترکیبات آن می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- اکسید رودیم (III) (Rh۲O۳)
- اکسید رودیم (IV) (RhO۲)
- کلرید رودیم (III) (RhCl۳)
- فلوئورید رودیم (VI) (RhF۶)
- هگزادکا کربونیل هگزا رودیوم (C۱۶O۱۶Rh۶)
- تترا رودیم دودکا کربونیل (C۱۲O۱۲Rh۴)
- کاتالیست ویلکینسون (C۵۴H۴۵ClP۳Rh)
- سیکلو اکتا دی ان رودیم کلرید دیمر (C۱۶H۲۴Cl۲Rh۲)
- کلروبیس (سیکلو اکتن) رودیم دیمر (C۳۲H۵۶Cl۲Rh۲)
- رودیم کربونیل کلرید (C۴O۴Cl۲Rh۲)
- تریس (تری فنیل فسفین) رودیوم کربونیل هیدرید (C۵۵H۴۶OP۳Rh)
- استات رودیم (II) (C۸H۱۲O۸Rh۲)
- رودوسن (C۱۰H۱۰Rh)
- پنتا آمین کلرو رودیوم دی کلرید ([RhCl(NH۳)۵]Cl۲)
- پنتا متیل سیکلو پنتا دی انیل رودیوم دی کلرید دیمر (C۲۰H۳۰Cl۴Rh۲)
- زنون هگزا فلئورو رودات (XeRhF۶)
خطرات رودیم بر روی سلامتی انسان
انسان ها به ندرت در تماس با ترکیبات رودیوم قرار می گیرند. تمامی ترکیبات رودیوم سمیت بالایی دارند و به شدت سرطان زا می باشند. این ترکیبات، پوست انسان را به شدت لکه دار کرده و آسیب های جدی به آن می زنند (پوست را می سوزاند). علاوه بر آن، در صورت استنشاق آئروسل رودیم توسط بدن جذب می شود و در مواردی خطر مرگ را به همراه دارد. تبخیر آن در دمای بیست درجه سانتیگراد بسیار ناچیز است، اما ممکن است در هنگام پراکنده شدن، به سرعت به غلظت مضر ذرات معلق در هوا برسد.
بر طبق آزمایشاتی که بر روی گیاهان انجام شده است، مشخص گردیده که این عنصر کمترین سمیت را در میان فلزات خانواده پلاتین دارد. لازم به ذکر است که هیچگونه نقش بیولوژیکی از این عنصر در زندگی انسان ها وجود ندارد. از آنجاییکه این ماد معدنی، کمیاب و نادر است، بنابراین اطلاعات کافی در مورد ایمنی آن وجود ندارد. پس، هنگام لمس یا هنگام هرگونه بررسی و استفاده از این فلز، باید حداکثر دقت و اقدامات احتیاطی رعایت شود.
