RHODIUM: LỊCH SỬ, ĐẶC TÍNH, CẤU TRÚC, SỬ DỤNG, RỦI RO - HÓA HỌC - 2025

Các rhodium là một kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm của paladi và có ký hiệu hóa học là Rh. Nó cao quý, trơ trong điều kiện bình thường, trong khi hiếm và đắt tiền, vì nó là kim loại phong phú thứ hai trong vỏ trái đất. Ngoài ra, không có khoáng sản nào đại diện cho một phương pháp có lợi để thu được kim loại này.

Mặc dù bề ngoài của nó là của một kim loại màu trắng bạc điển hình, hầu hết các hợp chất của nó đều có chung một màu đỏ, ngoài thực tế là các dung dịch của chúng có tông màu hơi hồng. Đó là lý do tại sao kim loại này được đặt tên là 'rhodon', tiếng Hy Lạp có nghĩa là màu hồng.

Ngọc trai rhodium kim loại. Nguồn: Hình ảnh độ phân giải cao của các nguyên tố hóa học

Tuy nhiên, hợp kim của nó là bạc, cũng như đắt tiền, vì nó được trộn với bạch kim, palladium và iridi. Đặc tính cao quý của nó khiến nó trở thành một kim loại gần như miễn nhiễm với quá trình oxy hóa, cũng như hoàn toàn chống lại sự tấn công của axit và bazơ mạnh; do đó, lớp phủ của chúng giúp bảo vệ các đồ vật bằng kim loại, chẳng hạn như đồ trang sức.

Ngoài việc sử dụng làm cảnh, rhodium cũng có thể bảo vệ các dụng cụ được sử dụng ở nhiệt độ cao và trong các thiết bị điện.

Nó phổ biến được biết đến nhiều nhất với việc giúp phân hủy khí ô tô độc hại (NO _x ) bên trong bộ chuyển đổi xúc tác. Nó cũng xúc tác sản xuất các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như tinh dầu bạc hà và axit axetic.

Điều thú vị là nó chỉ tồn tại trong tự nhiên dưới dạng đồng vị ¹⁰³ Rh, và các hợp chất của nó rất dễ bị khử thành kim loại do đặc tính cao của nó. Trong tất cả các số oxi hóa của nó, +3 (Rh ³⁺ ) là ổn định và phong phú nhất, tiếp theo là +1 và khi có mặt flo, +6 (Rh ⁶⁺ ).

Ở trạng thái kim loại, nó vô hại đối với sức khỏe của chúng ta, trừ khi các hạt phân tán trong không khí được hít vào. Tuy nhiên, các hợp chất hoặc muối có màu của nó được coi là chất gây ung thư, ngoài việc bám chặt vào da.

Lịch sử

Việc phát hiện ra rhodium đi kèm với palađi, cả hai kim loại đều được phát hiện bởi cùng một nhà khoa học: nhà hóa học người Anh William H. Wollaston, người vào năm 1803 đang kiểm tra một khoáng chất bạch kim, được cho là từ Peru.

Tôi biết từ Hippolyte-Victor Collet-Descotils, một nhà hóa học người Pháp, rằng có các muối màu đỏ trong khoáng chất bạch kim, màu của chúng có thể là do một nguyên tố kim loại không xác định. Vì vậy, Wollaston đã đào quặng bạch kim của mình trong nước cường toan, sau đó trung hòa tính axit của hỗn hợp thu được bằng NaOH.

Từ hỗn hợp này, Wollaston đã thực hiện phản ứng kết tủa để tách các hợp chất kim loại; Anh ta tách bạch kim thành (NH ₄ ) ₂ , sau khi thêm NH ₄ Cl, và các kim loại khác anh ta khử bằng kẽm kim loại. Ông đã cố gắng hòa tan các kim loại xốp này bằng HNO ₃ , để lại hai kim loại và hai nguyên tố hóa học mới: paladi và rhodi.

Tuy nhiên, khi ông thêm nước cường toan, ông nhận thấy rằng một kim loại hầu như không bị hòa tan, đồng thời tạo thành kết tủa đỏ với NaCl: Na ₃ nH ₂ O. Đây là nơi xuất phát tên của nó: màu đỏ của các hợp chất của nó, được ký hiệu là Từ tiếng Hy Lạp 'rhodon'.

Muối này lại bị khử bằng kẽm kim loại, do đó thu được rhodi xốp. Và kể từ đó, các kỹ thuật thu thập đã được cải thiện, cũng như nhu cầu và các ứng dụng công nghệ, cuối cùng đã xuất hiện những mảnh rhodium sáng bóng.

Tính chất

Ngoại hình

Kim loại cứng, màu trắng bạc, hầu như không có lớp oxit ở nhiệt độ thường. Tuy nhiên, nó không phải là một kim loại rất dễ uốn, có nghĩa là khi bạn va vào nó, nó sẽ bị nứt.

Khối lượng phân tử

102,905 g / mol

Độ nóng chảy

Năm 1964 ° C. Giá trị này cao hơn giá trị của coban (1495 ºC), phản ánh sự gia tăng độ bền của liên kết kim loại mạnh nhất khi nó giảm dần qua nhóm.

Độ nóng chảy

3695 ° C. Nó là một trong những kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất.

Tỉ trọng

-12,41 g / mL ở nhiệt độ phòng

-10,7 g / mL ở điểm nóng chảy, tức là chỉ khi nó tan chảy hoặc tan chảy

Nhiệt của nhiệt hạch

26,59 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

493 kJ / mol

Nhiệt dung mol

24,98 J / (mol K)

Độ âm điện

2,28 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

- Đầu tiên: 719,7 kJ / mol (Rh ^{+ thể} khí)

-Thứ hai: 1740 kJ / mol (Rh ^{2+ ở thể} khí)

-Thứ ba: 2997 kJ / mol (Rh ^{3+ ở thể} khí)

Dẫn nhiệt

150 W / (m K)

Điện trở suất

43,3 nΩm ở 0 ° C

Độ cứng Mohs

6

Thứ tự từ tính

Thuận từ

Phản ứng hoá học

Rhodium, mặc dù nó là một kim loại quý, không có nghĩa là nó là một nguyên tố trơ. Nó hầu như không bị gỉ trong điều kiện bình thường; nhưng khi nó được nung nóng trên 600 ºC, bề mặt của nó bắt đầu phản ứng với oxy:

Rh (s) + O ₂ (g) → Rh ₂ O ₃ (s)

Và kết quả là kim loại mất đi vẻ sáng bóng bạc đặc trưng.

Nó cũng có thể phản ứng với khí flo:

Rh (s) + F ₂ (g) → RhF ₆ (s)

RhF ₆ có màu đen. Nếu nó được đun nóng, nó có thể biến đổi thành RhF ₅ , giải phóng florua vào môi trường. Khi phản ứng flo hóa được thực hiện ở điều kiện khô, sự tạo thành RhF ₃ (chất rắn màu đỏ) được ưu tiên hơn so với RhF ₆ . Các halogenua khác: RhCl ₃ , RhBr ₃ và RhI ₃ được hình thành theo cách tương tự.

Có lẽ điều đáng ngạc nhiên nhất về rhodi kim loại là khả năng chống lại sự tấn công của các chất ăn mòn: axit mạnh và bazơ mạnh. Nước cường toan, một hỗn hợp đặc của axit clohydric và axit nitric, HCl-HNO ₃ , có thể khó tan, tạo ra dung dịch màu hồng.

Các muối nóng chảy, chẳng hạn như KHSO ₄ , có hiệu quả hơn trong việc hòa tan nó, vì chúng dẫn đến sự hình thành các phức chất rhodi hòa tan trong nước.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

Các nguyên tử rhodi kết tinh theo cấu trúc lập phương tâm mặt, fcc. Các nguyên tử Rh vẫn thống nhất nhờ liên kết kim loại của chúng, một lực chịu trách nhiệm ở quy mô vĩ mô đối với các tính chất vật lý có thể đo được của kim loại. Trong liên kết này, các điện tử hóa trị xen vào, được cho theo cấu hình điện tử:

4ngày ⁸ giây ¹

Do đó, nó là một dị thường hoặc ngoại lệ, vì nó được mong đợi sẽ có hai điện tử trong quỹ đạo 5 của nó và bảy trong quỹ đạo 4d (tuân theo sơ đồ Moeller).

Có tổng cộng chín electron hóa trị, cùng với bán kính nguyên tử, xác định tinh thể fcc; cấu trúc dường như rất ổn định, vì người ta tìm thấy rất ít thông tin về các dạng dị hướng có thể có khác dưới các áp suất hoặc nhiệt độ khác nhau.

Các nguyên tử Rh này, hay nói đúng hơn là các hạt tinh thể của chúng, có thể tương tác theo cách để tạo ra các hạt nano với các hình thái khác nhau.

Khi các hạt nano Rh này phát triển trên đỉnh khuôn mẫu (ví dụ như tập hợp cao phân tử), chúng có được hình dạng và kích thước bề mặt của nó; do đó, các quả cầu rhodi trung tính đã được thiết kế để thay thế kim loại trong một số ứng dụng xúc tác nhất định (giúp đẩy nhanh các phản ứng hóa học mà không bị tiêu hao trong quá trình này).

Số oxi hóa

Vì có chín electron hóa trị, nên bình thường giả định rằng rhodi có thể “mất tất cả chúng” trong các tương tác của nó trong một hợp chất; nghĩa là, giả sử sự tồn tại của cation Rh ⁹⁺ , với số oxi hóa hoặc trạng thái là 9+ hoặc (IX).

Các số oxi hóa dương và tìm thấy của rhodi trong các hợp chất của nó nằm trong khoảng từ +1 (Rh ⁺ ) đến +6 (Rh ⁶⁺ ). Trong số đó, +1 và +3 là phổ biến nhất, cùng với +2 và 0 (rhodi kim loại, Rh ⁰ ).

Ví dụ, trong Rh ₂ O ₃ số oxi hóa của rhodi là +3, vì nếu bạn giả sử sự tồn tại của Rh ³⁺ và một ký tự ion 100%, tổng các điện tích sẽ bằng 0 (Rh ₂ ³⁺ Hoặc ₃ ^2- ).

Một ví dụ khác được đại diện bởi RhF ₆ , trong đó bây giờ số oxy hóa của nó là +6. Một lần nữa, chỉ tổng điện tích của hợp chất sẽ vẫn trung tính nếu giả sử sự tồn tại của Rh ⁶⁺ (Rh ⁶⁺ F ₆ ^- ).

Nguyên tử càng tương tác với rhodi càng có độ âm điện thì xu hướng thể hiện số oxi hóa dương càng lớn; đó là trường hợp của RhF ₆ .

Trong trường hợp Rh ⁰ , nó tương ứng với các nguyên tử của tinh thể fcc phối hợp với các phân tử trung tính; ví dụ, CO, Rh ₄ (CO) ₁₂ .

Làm thế nào để thu được rhodium?

Hạn chế

Không giống như các kim loại khác, không có khoáng chất nào đủ giàu rhodi để thu được từ nó một cách kinh tế. Đó là lý do tại sao nó là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất công nghiệp các kim loại khác; đặc biệt là những chất cao quý hoặc đồng loại của chúng (các nguyên tố của nhóm bạch kim), và niken.

Hầu hết các khoáng sản được sử dụng làm nguyên liệu thô đến từ Nam Phi, Canada và Nga.

Quá trình sản xuất rất phức tạp bởi vì, mặc dù nó trơ, rhodium được tìm thấy trong công ty của các kim loại quý khác, ngoài ra còn có những tạp chất khó loại bỏ. Do đó, một số phản ứng hóa học phải được thực hiện để tách nó khỏi ma trận khoáng chất ban đầu.

Quá trình

Khả năng phản ứng hóa học thấp của nó giữ cho nó không thay đổi trong khi các kim loại đầu tiên đang được chiết xuất; cho đến khi chỉ còn lại những người quý tộc (vàng trong số họ). Sau đó, những kim loại quý này được xử lý và nấu chảy với sự có mặt của muối, chẳng hạn như NaHSO ₄ , để chúng ở dạng hỗn hợp lỏng của sunfat; trong trường hợp này, Rh ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Đối với hỗn hợp các sunfat này, từ đó mỗi kim loại được kết tủa riêng biệt thông qua các phản ứng hóa học khác nhau, NaOH được thêm vào, để tạo thành rhodi hydroxit, Rh (OH) _x .

Rh (OH) _x bị phân hủy lại bằng cách thêm HCl để tạo thành H ₃ RhCl ₆ , vẫn bị hòa tan và có màu hồng. Sau đó H ₃ RhCl ₆ phản ứng với NH ₄ Cl và NaNO ₂ tạo kết tủa là (NH ₄ ) ₃ .

Một lần nữa, chất rắn mới được hòa tan lại trong nhiều HCl hơn và môi trường được đun nóng cho đến khi một bọt biển chứa rhodi kim loại kết tủa trong khi các tạp chất bị đốt cháy.

Các ứng dụng

Lớp phủ

Bass đôi nhỏ, mạ bạc, mạ rhodium. Nguồn: Mauro Cateb (https://www.flickr.com/photos/mauroescritor/8463024136)

Đặc tính cao quý của nó được sử dụng để phủ lên các miếng kim loại bằng một lớp phủ tương tự. Bằng cách này, các đồ vật bằng bạc được phủ một lớp rhodium để bảo vệ nó khỏi bị oxy hóa và sẫm màu (tạo thành một lớp AgO và Ag ₂ S màu đen ), cũng như trở nên phản chiếu (sáng bóng) hơn.

Các lớp phủ như vậy được sử dụng trong quần áo trang sức, gương phản xạ, dụng cụ quang học, tiếp điểm điện và bộ lọc tia X trong chẩn đoán ung thư vú.

Hợp kim

Nó không chỉ là một kim loại quý mà còn rất cứng. Độ cứng này có thể được đóng góp vào các hợp kim mà nó tạo nên, đặc biệt là khi nói đến palađi, bạch kim và iridi; trong đó, những chất Rh-Pt được biết đến nhiều nhất. Ngoài ra, rhodium cải thiện khả năng chống chịu của các hợp kim này với nhiệt độ cao.

Ví dụ, hợp kim rhodi-platin được dùng làm vật liệu chế tạo kính có thể tạo hình thủy tinh nóng chảy; trong sản xuất cặp nhiệt điện, có khả năng đo nhiệt độ cao (hơn 1000 ºC); nồi nấu kim loại, ống lót để làm sạch sợi thủy tinh, cuộn dây lò cảm ứng, động cơ tuabin máy bay, bugi đánh lửa, v.v.

Chất xúc tác

Bộ chuyển đổi xúc tác của ô tô. Nguồn: Ballista

Rhodium có thể xúc tác các phản ứng như một kim loại nguyên chất hoặc phối hợp với các phối tử hữu cơ (organorodiums). Loại chất xúc tác phụ thuộc vào phản ứng cụ thể được tăng tốc, cũng như các yếu tố khác.

Ví dụ, ở dạng kim loại, nó có thể xúc tác quá trình khử các oxit nitơ, NO _x , thành các khí xung quanh là oxy và nitơ:

2 KHÔNG _x → x O ₂ + N ₂

Phản ứng này xảy ra liên tục hàng ngày: trong bộ chuyển đổi xúc tác của xe ô tô và xe máy. Nhờ sự giảm thiểu này, các khí NO _x không gây ô nhiễm cho các thành phố ở mức độ tồi tệ hơn. Vì mục đích này, các hạt nano rhodium trung tính đã được sử dụng, giúp cải thiện hơn nữa sự phân hủy khí NO _x .

Hợp chất, được gọi là chất xúc tác Wilkinson, được sử dụng để hiđro hóa (thêm H ₂ ) và hydroformylat (thêm CO và H ₂ ) anken để tạo thành ankan và anđehit tương ứng.

Chất xúc tác Rhodi được sử dụng trong thời gian ngắn để hydrogenat, cacbonylate (thêm CO) và hydroformylate. Kết quả là nhiều sản phẩm phụ thuộc vào chúng, như trường hợp của tinh dầu bạc hà, một hợp chất hóa học thiết yếu trong kẹo cao su; ngoài axit nitric, xyclohexan, axit axetic, organosilicon, trong số những chất khác.

Rủi ro

Rhodium, là một kim loại quý, ngay cả khi nó ngấm vào cơ thể chúng ta, các nguyên tử Rh của nó cũng không thể chuyển hóa được (theo như những gì nó biết). Do đó, chúng không gây ra bất kỳ nguy cơ sức khỏe nào; Trừ khi có quá nhiều nguyên tử Rh phân tán trong không khí, có thể tích tụ trong phổi và xương.

Trên thực tế, trong quá trình mạ rhodium trên đồ trang sức hoặc đồ trang sức bằng bạc, những người thợ kim hoàn phải tiếp xúc với những “hạt” nguyên tử này; lý do mà họ đã bị khó chịu trong hệ thống hô hấp của họ. Về rủi ro đối với chất rắn đã được chia nhỏ của nó, nó thậm chí không dễ cháy; ngoại trừ khi đốt cháy với sự có mặt của OF ₂ .

Các hợp chất Rhodium được phân loại là chất độc và gây ung thư, có màu sắc gây xỉn màu da. Đây là một sự khác biệt rõ ràng khác về tính chất của cation kim loại thay đổi như thế nào so với kim loại từ nó.

Và cuối cùng, trong các vấn đề sinh thái, sự phong phú khan hiếm của rhodium và sự thiếu đồng hóa của nó khiến thực vật trở thành một nguyên tố vô hại trong trường hợp đổ hoặc chất thải; miễn là nó là rhodi kim loại.

Người giới thiệu

1. Lars Öhrström. (Ngày 12 tháng 11 năm 2008). Rhodium. Hóa học trong nguyên tố của nó. Phục hồi từ: chemistryworld.com
2. Wikipedia. (2019). Rhodium. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (2019). Rhodium. Cơ sở dữ liệu PubChem. CID = 23948. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
4. S. Bale. (Năm 1958). Cấu trúc của Rhodium. Phòng thí nghiệm nghiên cứu Johnson Matthey. Platinum Metals Rev., (2), 21, 61-63
5. Jiang, B. và cộng sự. (2017). Các hạt nano rhodi kim loại trung tính. Nat. Commun. 8, 15581 doi: 10.1038 / ncomms15581
6. Chelation. (Ngày 27 tháng 6 năm 2018). Tiếp xúc Rhodium. Phục hồi từ: chelationcommunity.com
7. Bell Terence. (Ngày 25 tháng 6 năm 2019). Rhodium, một kim loại thuộc nhóm bạch kim hiếm và các ứng dụng của nó. Được khôi phục từ: thebalance.com
8. Stanley E. Livingstone. (Năm 1973). Hóa học của Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium và platinum. SE Livingstone. Pergamon Press.
9. Viện Công nghệ Tokyo. (Ngày 21 tháng 6 năm 2017). Một chất xúc tác dựa trên rhodi để tạo organosilicon sử dụng ít kim loại quý hơn. Phục hồi từ: Phys.org
10. Pilgaard Michael. (Ngày 10 tháng 5 năm 2017). Rhodium: phản ứng hóa học. Phục hồi từ: pilgaardelements.com
11. Tiến sĩ Doug Stewart. (2019). Sự kiện về nguyên tố Rhodium. Phục hồi từ: chemicool.com