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El rutenio es un metal raro que se encuentra generalmente en bajas concentraciones en otros platinoides, especialmente en el platino. Simbolizado por Ru, tiene el número atómico 44. Posee propiedades magnéticas únicas, lo que lo convierte en un elemento esencial en muchas aplicaciones tecnológicas modernas. El elemento constituye un material básico en el diseño de componentes electrónicos. Gracias a sus numerosas aplicaciones y su papel clave en innumerables sectores, el rutenio se considera un metal estratégico.
El Ru pertenece al grupo de los metales nobles, también conocido como PGM o Grupo de los Metales del Platino. Aunque es duro, es excepcionalmente frágil, lo que lo convierte en un metal único. De hecho, tiene una dureza de 6,5 en la escala de Mohs. Sin embargo, es el menos pesado en su categoría de platino. El elemento 44 no es ordinario. También es un excelente aditivo y se utiliza como aleación para dar un color negro al oro. Este metal de transición tiene una densidad de 12,1 g·cm3 (20 °C). Integra el grupo 8 del quinto período de la tabla periódica. Su configuración electrónica es [Kr] 4d7 5s1 y su estructura cristalina le confiere una forma compacta y hexagonal.
En 1803 y 1804, Smithson Tennant fracasó en identificar el rutenio probablemente debido a su baja concentración o por estar en trazas.
En 1807, el químico polaco Jędrzej Śniadecki ya había aislado el metal que nombró “vestium”, pero renunció a los derechos de su descubrimiento.
En 1828, el químico farmacéutico Gottfried Osann estudió los residuos de la disolución de platino bruto de las montañas rusas de los Urales en agua regia. Posteriormente, declaró haber descubierto tres nuevos elementos en el licor amarillo. Nombró a uno de ellos “rutenio”, del nombre latino Rutenia (relativo a Rusia). Sin embargo, su trabajo torpemente redactado fue cuestionado por Jöns Jacob Berzelius quien, conocedor de los trabajos anglosajones, conocía el iridio y el rodio. De hecho, intentó repetir el experimento, pero no logró encontrar el tercer elemento. Berzelius entonces expresó una duda seguida de un veto científico sobre los trabajos de Osann.
En 1844, el químico Carl Ernst Klaus, también conocido como Karl Karl Karlovitch (Klaus) o Karlovic Klaus, nacido en Dorpat, aisló el rutenio en estado puro y en cantidad significativa. Trabajó a partir de los residuos polvorientos negros de la producción de platino, disueltos en agua regia. Logró aislar seis gramos del elemento y desarrolló la química del Ru. De este modo confirmó los trabajos pioneros de Osann y mantuvo el nombre de rutenio.
Con una masa atómica relativa de 101,07 u, la configuración electrónica del rutenio tiene 44 núcleos. El elemento posee 34 isótopos conocidos, con números de masa entre 87 y 120, así como 7 isómeros nucleares. Siete de estos isótopos naturales son estables:
Solo los isótopos en estado estable del rutenio se encuentran en estado nativo. El 102Ru es el isótopo más abundante en la corteza terrestre. Los isótopos 99Ru y 101Ru tienen ambos un espín nuclear de 5/2, sabiendo que el espín representa el momento cinético integrado de una partícula. Esto los hace utilizables en resonancia magnética nuclear (RMN), con una relación giromagnética de 1,234 y 1,383 (en 107rad.T−1.s−1).
La corteza terrestre contiene 5000t de Ru. El Clarke de este elemento es menos de 1 mg/tonelada. El rutenio natural se presenta como metal, generalmente combinado en pequeña cantidad con el iridio o el platino.
Sudáfrica posee el 91%, o casi la totalidad, de las reservas internacionales de platinoides. El suelo de este país tiene un alto contenido de rutenio. Según las estimaciones, contiene el 98% de las reservas mundiales de rutenio. En términos estadísticos, Sudáfrica se coloca a la cabeza de los países productores con 5.540t de Ru anclados en el suelo africano. En segundo lugar se encuentra Zimbabwe con 60t, seguido por Rusia con 43t.
Se producen 12t de rutenio al año a escala mundial, principalmente como subproducto de la extracción de platinoides en las minas de platino. De hecho, el Ru constituye un subcomponente de metales preciosos como el iridio, el rodio, el platino y el paladio. Los minerales extraídos deben someterse a un tratamiento para extraer este elemento. La laurita (RuS2) es el principal mineral directo que contiene rutenio. El níquel y el cobre también contienen trazas del elemento 44.
El proceso de extracción es complejo y pasa por varias etapas. La primera fase consiste en extraer platino y osmio de los minerales preciosos. Se obtiene entonces un residuo de licor amarillo en el que se concentran los otros platinoides. Esta sustancia se transforma luego en una esponja metálica que se cristaliza en iridio y rutenio. Los cristales se mezclan con una base alcalina compuesta por potasa KOH y nitrato de potasio KNO3 antes de someterse a un tratamiento térmico. El ruteniato de potasio resultante debe enjuagarse con agua para formar un precipitado de óxido de iridio. Este mismo ruteniato de potasio se mezcla a alta temperatura con dicloro (Cl2) para dar anhídrido hiperuténico o RuO4. La solución se destila luego con potasa Ru2CO3 para obtener el metal Ru.
El rutenio es un cuerpo sólido con una estructura hexagonal compacta. Su color varía según el método de extracción utilizado, aunque generalmente fluctúa entre el gris azulado y el blanco plateado. Sin embargo, este metal puede teñir el oro de negro. Tiene una densidad de 12,2, clasificándolo así entre los metales de transición menos pesados de su categoría.
Aunque es duro, el Ru también puede romperse fácilmente y presenta propiedades similares al osmio y al platino. Su temperatura de fusión comienza a partir de 2330°C. La metalurgia del rutenio es compleja y puede realizarse por fusión al arco eléctrico bajo atmósfera inerte de argón o por técnicas de metalurgia de polvos.
El elemento 44 entra en ebullición a 4100°C, a pesar de su alta resistencia al choque térmico. El Ru es inalterable al aire e insoluble en agua. Es un elemento inerte y no reacciona al contacto con ácido, incluso con agua regia. Si se almacena a temperatura ambiente, su proceso de oxidación y corrosión permanece inactivo, incluso bajo la influencia de los álcalis. Este cuerpo químico se disuelve en bases fundidas.
El rutenio es un superconductor. Esta propiedad, asociada a su gran valor práctico y científico, hace que este metal sea precioso e interesante a los ojos de los investigadores y las industrias modernas. El metal puro de rutenio constituye también un excelente catalizador con una selectividad elevada. En forma de polvo de superficie específica variable, el Ru se utiliza para favorecer la hidrogenación, ciertas reducciones y oxidaciones. Entra en la síntesis de estructuras orgánicas e inorgánicas.
El rutenio es un compuesto intermetálico. Tiene la propiedad de reforzar la resistencia de las aleaciones de platino y paladio. Se vuelven particularmente estables y rígidas, lo que las hace ideales para aplicaciones en joyería (puntas de pluma) o para piezas de resistencia mecánica.
Además, el rutenio, añadido en muy pequeña proporción (0,1% en masa) puede multiplicar por 100 la resistencia a la corrosión del titanio.
Ru se caracteriza por una valencia entre 0 y VIII, siendo los II, III y IV los más estables. Los compuestos de este elemento más utilizados son: el dióxido de rutenio RuO2, el tetróxido de rutenio RuO4, el sulfuro de rutenio, los cloruros de rutenio RuCl2, RuCl3 y el fluoruro de rutenio RuF3, RuF4, RuF5, RuF6.
El elemento 44 rutenio reacciona con elementos semimetálicos como P, Se, Te, As, Sb.
Cuando el rutenio sólido cristalino entra en contacto con el azufre elemental, se forma RuS2 sólido según la fórmula:
Ru sólido cristal + Scuerpo simple azufre → RuS2 sólido
Las siguientes ecuaciones detallan algunas combinaciones del Ru:
El rutenio es ampliamente utilizado en diversos sectores, como la aeronáutica, la electroquímica, la industria petrolera (durante el proceso de refinado) y la industria eléctrica y electrónica.
El Ru es muy solicitado en la industria química debido a su capacidad catalítica excepcional. De hecho, el 29% de la producción mundial de este metal se utiliza en este campo. Es útil en las refinerías de petróleo y en la fabricación de desinfectantes. Este elemento constituye un catalizador de elección para la síntesis de amonio y ácido acético. En la industria electroquímica, el rutenio se utiliza en la producción de cloro y sosa por electrólisis.
Como componente de pilas de combustible, el Ru es un catalizador de elección para facilitar el aislamiento del dihidrógeno (H2) y del dióxido de carbono (CO2) en el ácido fórmico (HCOOH). Esta técnica es importante para el almacenamiento de dihidrógeno, que luego puede utilizarse para alimentar una pila de combustión.
El rutenio juega un papel esencial en la industria aeronáutica, donde se utiliza para formar superaleaciones de alta calidad. Al añadir Ru a los metales, se puede mejorar su resistencia y sus propiedades químicas. Además, este metal posee una gran resistencia al calor y es muy resistente a la corrosión. Es ideal para fabricar componentes de radio con gran resistencia al desgaste mecánico.
En la industria electrónica y eléctrica, el rutenio se utiliza para diseñar contactores y chips resistivos. También forma parte de la composición de paneles solares, termostatos, etc.
Desde 2001, este elemento se utiliza para la fabricación de discos duros. Permite diseñar un revestimiento infinitamente fino que se coloca entre dos capas magnéticas. Este material ofrece la posibilidad de almacenar hasta 25,7 Gb/in² y más tarde, gracias a las evoluciones tecnológicas, su capacidad de almacenamiento se acercará a los 400 Gb/in².
Su aleación con platino sirve como envoltura para los electrodos de las bujías de encendido de última generación.
El rutenio está cada vez más presente en el medio ambiente. Su concentración, incluso en los depósitos sedimentarios, está aumentando frecuentemente. Esto se debe probablemente al uso generalizado de catalizadores platinoides en los convertidores catalíticos de los vehículos para reducir ciertos parámetros de la contaminación atmosférica. Aunque no se considera un oligoelemento esencial, puede ser peligroso para la salud humana. Ha sido identificado como potencialmente cancerígeno.
En septiembre y octubre de 2017, se midieron altos niveles de radiación de rutenio 106 en la atmósfera de varios países europeos, incluida Alemania. Los niveles de radiación eran apenas un poco más altos que la radiación natural, pero su origen era un misterio. Las investigaciones concluyeron que la fuente estaba localizada en algún lugar al sur de los Urales, en Rusia o Kazajistán. Sin embargo, no pudieron precisar su ubicación exacta.
Según el IRSN, el incidente probablemente ocurrió en el complejo nuclear de Mayak, en el sur de Rusia, durante la última semana del mes de septiembre. Los técnicos habrían gestionado mal la producción de una fuente de cerio 144 destinada a la investigación de neutrinos estériles en Italia. Sin embargo, el gobierno ruso negó cualquier incidente.
Según las normas europeas, la tasa de radiactividad producida por el incidente habría superado los umbrales máximos de contaminación de los alimentos. La radiactividad se habría extendido unos pocos kilómetros alrededor del punto de emisión.
Se reveló que la cantidad de rutenio 106 liberada fue de 100 a 300 terabecquerelios, un nivel peligroso para la población local.
El IRSN considera la probabilidad de importación de alimentos contaminados a Francia por el 106Ru como “extremadamente baja”. Sin embargo, el CRIIRAD sigue vigilante afirmando que este incidente ha propagado en la atmósfera 375000 veces más la cantidad de emisión anual de rutenio 106 autorizada de la central nuclear de Cruas, en Ardèche. Según este organismo, una vez que la sustancia radiactiva cae al suelo y sobre la cubierta vegetal, podría provocar una contaminación duradera de la flora local.
Los efectos tóxicos del 106Ru, como los de otros platinoides, siguen siendo poco conocidos. Sin embargo, se sabe que se bioacumula en los huesos de los animales de sangre caliente. El tetróxido de rutenio o RuO4 posee propiedades similares a las del tetróxido de osmio. Ambos son muy volátiles y tóxicos. Este elemento explota cuando entra en contacto con materias combustibles.
En los años 70, se realizaron estudios sobre la cinética y la presencia del rutenio 106 en los organismos acuáticos. Estos organismos incluyen: Anodonta anatina, dos caracoles de agua dulce, Lymnaea stagnalis y Viviparus contectus, un pez de agua dulce (Alburnus lucidus) así como varios organismos marinos: Fucus vesiculosus, Mytilus edulis, Littorina littorea y Purpura lapillus. Se les hizo ingerir la sustancia tóxica en su forma compleja de nitrato de nitrosilo. Estos experimentos permitieron concluir tres puntos:
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