Versuchsbeschreibung

Zink und Ruthenium werden vermischt, zur Rotglut erhitzt, der abgekühlte Inhalt in Wasser aufgenommen und mit Salzsäure versetzt. Das zurückbleibende Ruthenium wird getrocknet und mit einer Flamme erhitzt. Dabei verpufft es mit einer schönen Feuererscheinung.

Robert Bunsen forschte in den 1860er Jahren an der Trennung der Platinmetalle, wobei ein Unfall auftrat, den er sich zunächst nicht erklären konnte. Bei der Aufbereitung von etwa einem Pfund Rhodium und Iridium erfolgte nach dem Berühren des Pulvers eine Verpuffung, die Verbrennungen an Händen und Gesicht zur Folge hatte [2]. Später wurde entdeckt, dass auch andere Platinmetalle dieses Verhalten zeigen können, wenn sie auf eine bestimmte Art und Weise gewonnen werden. Hier wird am Beispiel von Ruthenium gezeigt, wie die Reaktion aussieht und wie sie zu erklären ist.

 

Verwendete Chemikalien

Chemikalie Symbole H- / EUH- / P-Sätze

610 mg Ruthenium (Pulver), Ru

M: 101.07 g/mol

CAS-Nr.: 7440-18-8
EG-Nr.: 231-127-1
UN-Nr.: 3089

GHS02 – Flamme

Gefahr

H228: Entzündbarer Feststoff.

P210: Von Hitze, heißen Oberflächen, Funken, offenen Flammen sowie anderen Zündquellen fernhalten. Nicht rauchen.

10 g Zink Staub, Zn

M: 65.37 g/mol

CAS-Nr.: 7440-66-6
EG-Nr.: 231-175-3
UN-Nr.: 3077

WGK: 2

GHS09 – Umwelt

Achtung

H410: Sehr giftig für Wasserorganismen, mit langfristiger Wirkung.

P273: Freisetzung in die Umwelt vermeiden.

Salzsäure 10 %, HCl

M: 36.46 g/mol

CAS-Nr.: 7647-01-0
EG-Nr.: 231-595-7
UN-Nr.: 1789

WGK: 1

GHS05 – Ätzwirkung

GHS07 – Ausrufezeichen

Achtung

H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.

H315: Verursacht Hautreizungen.

H319: Verursacht schwere Augenreizung.

H335: Kann die Atemwege reizen.

P302+P352: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT: Mit viel Wasser/Seife waschen.

P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser ausspülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter ausspülen.

 

Verwendete Geräte, Versuchsaufbau

Mörser und Pistill, schwer schmelzbares Reagenzglas oder Tiegel mit Deckel, Bunsenbrenner, Glasstab, Becherglas, Filtrationszubehör, Heizplatte, Spatel, Aluminiumfolie, Waage

 

Versuchsdurchführung

10 g möglichst oxidfreier Zinkstaub wird im Mörser mit 610 mg Rutheniumpulver gut durchmischt. Die Mischung wird in ein schwer schmelzbares Reagenzglas gefüllt und mit einem Glasstab festgestampft. Die Reagenzglasöffnung wird anschließend mit einem Stück Aluminiumfolie locker verschlossen. Mit einem Bunsenbrenner wird die Mischung einige Minuten gleichmäßig auf dunkle Rotglut erhitzt. Dabei kann es vorkommen, dass die Mischung durch eine geringe Gasentwicklung im Reagenzglas etwas aufsteigt. Nachdem die Mischung einheitlich rot glüht, wird abkühlen gelassen. Das Reagenzglas wird aufgebrochen und der pulverige bis grobstückige (zusammengebackene) Inhalt in ein Becherglas mit 50 mL Wasser überführt. Dazu wird unter gelegentlichem Umschwenken über zwei Tage mehrmals verdünnte Salzsäure getropft, bis sich das Zink aus der entstandenen Zink-Ruthenium-Legierung vollständig gelöst hat. Sobald auch bei weiterer Salzsäurezugabe keine Gasentwicklung mehr feststellbar ist, wird die entstandene Suspension filtriert und einige Male mit Wasser gewaschen. Das feuchte Produkt wird auf dem Filterpapier belassen und so an der Luft getrocknet. Etwa zwei Tage nachdem das Produkt getrocknet ist, werden ca. 40 mg auf ein Stück Aluminiumfolie gebracht und von unten mit einem Streichholz oder einer Heizplatte (ca. 200 °C) erhitzt. Dabei verpufft es mit einem leisen Puffgeräusch und unter Herumschleudern glühender Funken bis in einige cm Entfernung. Es bleibt ein Rückstand von fein verteiltem, schwarz-grauem Pulver, die Alufolie ist unbeschädigt. Um die Druckempfindlichkeit zu testen, kann das Produkt im Mörser (wenige Milligramm) zerrieben werden, wobei keine Reaktion eintritt (sie ist jedoch nicht auszuschließen!).

 

Reaktionsgleichung

Beim Erhitzen des Zinkstaubs mit dem Rutheniumpulver bildet sich eine Legierung aus Ruthenium und Zink (Ru-Gehalt: ca. 6 % [2]):

Reaktionsgleichung Bildung der Ruthenium-Zink-Legierung

Wird diese Legierung mit Salzsäure behandelt, bleibt das Ruthenium als ungelöster, flockiger Rückstand übrig. Während des Auflösens entsteht Wasserstoff (Reaktionsgleichungen vereinfacht):

ZnRu + 2 HCl → ZnCl2 + H2↑ + Ru↓

Ruthenium ist wie viele andere Platinmetalle in der Lage, Wasserstoff zu binden. Ein geringer Teil des bei der Reaktion freigesetzten Wasserstoffs wird so zu einer Ruthenium-Wasserstoff-Verbindung umgesetzt:

x H2 + Ru → RuH2x

Das Produkt enthält nur Ruthenium und Wasserstoff. Beim Erhitzen an der Luft beginnt die Reaktion des gebundenen Wasserstoffs mit dem Luftsauerstoff. Dabei heizt sich das Material auf und gibt schlagartig Wasserstoff frei, wodurch alles weggeschleudert wird. Die Funken bestehen dann aus kleinen Ruthenium-Partikeln, die weiterhin Wasserstoff ausgasen, welcher dann verbrennt und so diesen Funkenflug-Effekt auslöst:

RuH2x + x/2 O2 → Ru + H2O↑

In reinem Sauerstoff verbrennt zusätzlich auch das Ruthenium selbst zu Ruthenium(IV)-oxid:

Reaktionsgleichung Ruthenium verbrennt mit Sauerstoff

 

Ähnliche Reaktionen zeigen die Platinmetalle Platin, Rhodium und Iridium (nicht jedoch Osmium und Palladium), wobei immer Sauerstoff anwesend sein muss, um ein explosives Produkt zu erhalten. Die Vorgänge wurden am Beispiel vom Rhodium genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass bei der Explosion neben wenig Wasserstoff und Stickstoff auch Wasser gebildet wird und die freigesetzte Wärme ungefähr der Energie entspricht, die bei der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu dieser Wassermenge freigesetzt wird. Es handelt sich also um eine Knallgasreaktion [4]. Ruthenium lässt auch unter scheinbar sauerstofffreien Bedingungen in dieser explosiven Form erhalten [4], was Bunsen (wie bei den anderen Platinmetallen) zu der Annahme brachte, dass es sich um eine andere Modifikation des Rutheniums handeln könnte, welche bei der Rückumwandlung zum »normalen« Ruthenium ausreichend viel Energie freisetzt, um eine Verpuffung zu erzeugen. Ein derartiges Phänomen soll von Antimon bekannt sein, welches bei der Elektrolyse als explosiver Rückstand anfällt (sog. »explosives Antimon«). Die Verpuffung ist dort jedoch durch Rückstände von nicht zu entfernendem Chlor im Elektrolyse-Produkt zu erklären und beruht nicht auf einer bloßen Phasenumwandlung. Später konnte festgestellt werden, dass auch das explosive Ruthenium Sauerstoff enthält [3] – auf welche Weise der Sauerstoff in das unter Inertgas hergestellte Produkt gelangte, ist jedoch unklar. Am Wahrscheinlichsten ist daher, dass Ruthenium sich ebenso wie die anderen drei Platinmetalle verhält und es sich bei der Verpuffung um eine Knallgasreaktion handelt, welche durch »Knallgasokklusion« im Produkt zu erklären ist. Das so hergestellte Ruthenium enthält noch ca. 10–14 % Zink [3], welches durch Säurebehandlung nicht zu entfernen ist. Zumindest Rhodium lässt sich auch aus Legierungen mit Blei bzw. Cadmium auf ähnliche Weise als explosiver Rückstand erhalten [5]. Die Vorgehensweise kann möglicherweise verbessert werden, indem Zinkpulver statt Zinkstaub verwendet wird und eine geringe Menge Flussmittel (z. B. Ammoniumchlorid [5]) der Mischung zugefügt wird, um einen massiven Regulus der Legierung zu erhalten statt eines pulverigen Zwischenprodukts.

 

Medien

Zinkstaub.Rutheniumpulver.Die fertige Mischung.Festgestampfte Mischung.Oberflächlich oxidierte, pulverige Legierung. Ruthenium nach Säurebehandlung.Getrocknetes Produkt.Keine Reaktion bei Reibung.Ca. 40 mg explosives Ruthenium.Bei der Reaktion.Rückstand.Keine Reaktion in Helium.Reaktion in Luft.Reaktion in Sauerstoff.

 

 

Quellenangaben

[1]
Pok. Explosives Ruthenium. illumina-chemie.de, 2014. http://illumina-chemie.de/explosives-ruthenium-t3796.html [11.05.2014] mit freundlicher Genehmigung von Pok.
[2]
H. Roscoe. Gedenkrede auf Bunsen. In: Gesammelte Abhandlungen von Robert Bunsen Band 1, Hrsg. W. Ostwald, M. Bodenstein, Gesammelte Abhandlungen von Robert Bunsen, W. Engelmann: Leipzig, 1904, 42–43. https://archive.org/stream/gesammelteabhan01bunsgoog#page/n49/mode/2up [11.05.2014]
[3]
M. Hansen. Ru-Zn. Ruthenium-Zink. In: Der Aufbau der Zweistofflegierungen: Eine kritische Zusammenfassung, Springer: Berlin, Heidelberg, 1936, 1032. DOI: 10.1007/978-3-642-47516-0_15
[4]
Our Astronomical Column. Nature 1908, 77 (2005), 519–520. DOI: 10.1038/077516a0
[5]
E. Cohen und Th. Strengers. Physikalisch-chemische Studien an den explosiven Platinmetallen. Chem. Zentralbl. 1908, 1 (26), 2139–2140. http://archive.org/stream/chemischeszentr14chemgoog#page/n865/mode/2up [03.02.2017]

 

Download

Explosives Ruthenium

 

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