Введение
Родий — химический элемент с символом Rh и атомным номером 45. Это очень редкий, серебристо-белый, твердый, коррозионностойкий переходный металл. Он является благородным металлом и относится к платиновой группе. В природе существует только один стабильный изотоп — 103Rh. Природный родий обычно встречается в виде свободного металла или сплава с подобными металлами, и редко — в виде химических соединений в минералах, таких как бовиит и родплюмзит. Это один из самых редких и ценных драгоценных металлов. Родий содержится в платиновых или никелевых рудах вместе с другими металлами платиновой группы. Он был открыт в 1803 году Уильямом Хайдом Волластоном в одной из таких руд и получил название по розовому цвету одного из его хлоридов. Основное применение родия (поглощающее около 80% мирового производства) — в качестве одного из катализаторов в трехкомпонентных каталитических нейтрализаторах автомобилей. Благодаря инертности родия к коррозии и большинству агрессивных химических веществ, а также его редкости, родий обычно легируется платиной или палладием и используется для создания высокотемпературных и коррозионностойких покрытий. Белое золото часто покрывают тонким слоем родия для улучшения внешнего вида, а стерлинговое серебро — для защиты от потускнения. Родий иногда применяется для сшивания силиконов: двухкомпонентного силикона, в котором смешиваются компоненты, содержащие гидрид кремния и винил-терминированный силикон; один из этих компонентов содержит комплекс родия. Родиевые детекторы используются в ядерных реакторах для измерения потока нейтронов. Другие области применения родия включают асимметричное гидрирование, используемое для получения предшественников лекарственных препаратов, и процессы производства уксусной кислоты.
История
Родий (от греч. rhodon (ῥόδον) — «роза») был открыт в 1803 году Уильямом Хайдом Волластоном вскоре после открытия палладия. Он использовал необработанную платиновую руду, предположительно полученную из Южной Америки. Его метод заключался в растворении руды в царской водке и нейтрализации кислоты гидроксидом натрия (NaOH). Затем он осаждал платину в виде хлороплатината аммония добавлением хлорида аммония (NH4Cl). Большинство других металлов, таких как медь, свинец, палладий и родий, осаждались цинком. Разбавленная азотная кислота растворяла все, кроме палладия и родия. Из этих двух палладий растворялся в царской водке, а родий — нет. Родий осаждался добавлением хлорида натрия, после чего розовый осадок, промытый этанолом, реагировал с цинком, который вытеснял родий из ионного соединения, высвобождая его в виде свободного металла. На протяжении десятилетий этот редкий элемент имел ограниченное применение; например, к началу века термопары с содержанием родия использовались для измерения температур до 1800 °C, демонстрируя исключительно хорошую стабильность в диапазоне от 1300 до 1800 °C. Первым крупным применением стало гальваническое покрытие для декоративных целей и в качестве коррозионностойкого покрытия. Введение компанией Volvo в 1976 году трехкомпонентного каталитического нейтрализатора увеличило спрос на родий. Ранее использовавшиеся каталитические нейтрализаторы применяли платину или палладий, тогда как трехкомпонентный нейтрализатор использовал родий для снижения выбросов NOx в выхлопных газах.
Характеристики
Z элемент No. электронов/оболочки 27 кобальт 2, 8, 15, 2 45 родий 2, 8, 18, 16, 1 77 иридий 2, 8, 18, 32, 15, 2 109 мейтнерий 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (предсказанно)
Родий – твердый, серебристо-белый, прочный металл с высокой отражающей способностью. Металл родия обычно не образует оксид даже при нагревании. Кислород из атмосферы поглощается только в точке плавления родия, но выделяется при затвердевании. Родий имеет более высокую температуру плавления и меньшую плотность, чем платина. Он не подвергается воздействию большинства кислот: полностью нерастворим в азотной кислоте и незначительно растворяется в царской водке.
Rhodium is a hard, silvery, durable metal that has a high reflectance. Rhodium metal does not normally form an oxide, even when heated. Oxygen is absorbed from the atmosphere only at the melting point of rhodium, but is released on solidification. Rhodium has both a higher melting point and lower density than platinum. It is not attacked by most acids: it is completely insoluble in nitric acid and dissolves slightly in aqua regia.
Изотопы
Природно встречающийся родий состоит только из одного изотопа, 103Rh. Наиболее стабильными радиоизотопами являются 101Rh с периодом полураспада 3,3 года, 102Rh с периодом полураспада 207 дней, 102mRh с периодом полураспада 2,9 года и 99Rh с периодом полураспада 16,1 дня. Двадцать других радиоизотопов были охарактеризованы, их атомные массы варьируются от 92,926 а.е.м. (93Rh) до 116,925 а.е.м. (117Rh). Большинство из них имеют период полураспада менее часа, за исключением 100Rh (20,8 часа) и 105Rh (35,36 часа). Родий имеет множество метастабильных состояний, наиболее стабильными из которых являются 102mRh (0,141 МэВ) с периодом полураспада около 2,9 лет и 101mRh (0,157 МэВ) с периодом полураспада 4,34 дня (см. Изотопы родия). В изотопах с массой менее 103 (стабильного изотопа) основным видом распада является электронный захват, а основным продуктом распада – рутений. В изотопах с массой более 103 основным видом распада является бета-распад, а основным продуктом – палладий.
Возникновение
Родий — один из самых редких элементов в земной коре, составляющий примерно 0,0002 части на миллион (2 × 10−10). Его редкость влияет на его стоимость и применение в коммерческих целях. Концентрация родия в никелевых метеоритах обычно составляет 1 часть на миллиард. В некоторых образцах картофеля были обнаружены концентрации родия от 0,8 до 30 ppt.
Добыча и цена
Промышленная добыча родия сложна, поскольку руды смешаны с другими металлами, такими как палладий, серебро, платина и золото, и существует очень мало минералов, содержащих родий. Он встречается в платиновых рудах и извлекается в виде белого инертного металла, который трудно сплавлять. Основные месторождения находятся в Южной Африке, в речных песках Уральских гор в России и в Северной Америке, включая район добычи медно-никелевых сульфидов в регионе Садбери, провинция Онтарио. Несмотря на очень небольшое содержание родия в Садбери, большое количество переработанной никелевой руды делает извлечение родия экономически выгодным. Основным экспортером родия является Южная Африка (около 80% в 2010 году), за ней следует Россия.
Приложения
Основное применение этого элемента – в автомобильной промышленности в качестве каталитического нейтрализатора, преобразующего вредные несгоревшие углеводороды, угарный газ и оксиды азота в менее токсичные газы. Из 30 000 кг родия, потребленного во всем мире в 2012 году, 81% (24 300 кг) пришлось на это применение, а 8060 кг было возвращено из отработанных нейтрализаторов. Примерно 964 кг родия использовалось в стекольной промышленности, главным образом для производства стекловолокна и листового стекла, и 2520 кг – в химической промышленности.
Декоративное использование
Родий находит применение в ювелирных изделиях и для декоративных целей. Его наносят электролитическим осаждением на белое золото и платину, чтобы придать им отражающую белую поверхность к моменту продажи, после чего тонкий слой стирается в процессе носки. В ювелирной отрасли это называется родированием. Его также можно использовать для покрытия серебра 925 пробы для защиты от потускнения (сульфида серебра Ag2S, образующегося из атмосферного сероводорода H2S). Цельные (чистые) родиевые украшения встречаются крайне редко, скорее из-за сложности обработки (высокой температуры плавления и низкой пластичности), чем из-за высокой цены. Высокая стоимость определяет, что родий используется только в качестве электропокрытия. Родий также использовался для награждений или для обозначения высокого статуса, когда более распространенные металлы, такие как серебро, золото или платина, считались недостаточными. В 1979 году Книга рекордов Гиннеса вручила Полу Маккартни диск, покрытый родием, за то, что он является самым продаваемым автором песен и исполнителем за всю историю.
Меры предосторожности
Будучи благородным металлом, чистый родий инертен и безвреден в элементарном состоянии. Однако химические соединения родия могут быть реакционноспособными. Для хлорида родия медианная летальная доза (LD50) для крыс составляет 198 мг на килограмм массы тела. Как и другие благородные металлы, родий не играет никакой биологической роли. Люди могут подвергаться воздействию родия на рабочем месте при вдыхании. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA) установило нормативный предел (предельно допустимая концентрация) для воздействия родия на рабочем месте в 0,1 мг/м³ за 8-часовой рабочий день, а Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) на том же уровне. При концентрации 100 мг/м³ родий представляет непосредственную опасность для жизни и здоровья. Для растворимых соединений предельно допустимая концентрация (PEL) и рекомендуемый предел воздействия (REL) составляют 0,001 мг/м³.