RHODIUM: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE, USAGES, RISQUES - CHIMIE - 2024

Le rhodium est un métal de transition appartenant au groupe du palladium et dont le symbole chimique est Rh. Il est noble, inerte dans des conditions normales, alors qu'il est rare et coûteux, car c'est le deuxième métal le moins abondant dans la croûte terrestre. De plus, il n'y a pas de minéraux qui représentent une méthode rentable pour obtenir ce métal.

Bien que son apparence soit celle d'un métal blanc argenté typique, la plupart de ses composés partagent une coloration rougeâtre en commun, en plus du fait que leurs solutions apparaissent dans des tons rosés. C'est pourquoi ce métal a reçu le nom de «rhodon», qui signifie rose en grec.

Perle de rhodium métallique. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Cependant, ses alliages sont en argent, ainsi que chers, car il est mélangé avec du platine, du palladium et de l'iridium. Son caractère noble élevé en fait un métal presque insensible à l'oxydation, ainsi que totalement résistant aux attaques d'acides et de bases forts; par conséquent, leurs revêtements aident à protéger les objets métalliques, tels que les bijoux.

Outre son utilisation ornementale, le rhodium peut également protéger les outils utilisés à haute température et dans les appareils électriques.

Il est généralement connu pour aider à décomposer les gaz toxiques de voiture (NO _x) à l'intérieur des convertisseurs catalytiques. Il catalyse également la production de composés organiques, tels que le menthol et l'acide acétique.

Fait intéressant, il n'existe dans la nature que sous forme d'isotope ¹⁰³ Rh, et ses composés sont faciles à réduire en métal en raison de son caractère noble. De tous ses indices d'oxydation, +3 (Rh ³⁺) est le plus stable et le plus abondant, suivi de +1 et, en présence de fluor, de +6 (Rh ⁶⁺).

Dans son état métallique, il est inoffensif pour notre santé, à moins que ses particules dispersées dans l'air ne soient respirées. Cependant, ses composés colorés ou ses sels sont considérés comme cancérigènes, en plus d'être fortement attachés à la peau.

L'histoire

La découverte du rhodium a été accompagnée de celle du palladium, les deux métaux ont été découverts par le même scientifique: le chimiste anglais William H. Wollaston, qui en 1803 examinait un minéral de platine, supposément originaire du Pérou.

Je savais par Hippolyte-Victor Collet-Descotils, un chimiste français, qu'il y avait des sels rougeâtres dans les minéraux de platine, dont la couleur était probablement due à un élément métallique inconnu. Alors Wollaston a digéré son minerai de platine dans de l'eau régale, puis a neutralisé l'acidité du mélange résultant avec NaOH.

De ce mélange, Wollaston devait, au moyen de réactions de précipitation, séparer les composés métalliques; Il a séparé le platine sous forme de (NH ₄) ₂, après avoir ajouté NH ₄ Cl, et d'autres métaux qu'il a réduits avec du zinc métallique. Il a essayé de dissoudre ces métaux spongieux avec HNO ₃, laissant deux métaux et deux nouveaux éléments chimiques: le palladium et le rhodium.

Cependant, lorsqu'il a ajouté de l'aqua regia, il a remarqué qu'un métal se dissolvait à peine, en même temps qu'il formait un précipité rouge avec NaCl: Na ₃ nH ₂ O.C'est de là que vient son nom: la couleur rouge de ses composés, désignée par le Mot grec «rhodon».

Ce sel a été réduit avec du zinc métallique, à nouveau, obtenant ainsi du rhodium spongieux. Et depuis lors, les techniques d'obtention se sont améliorées, de même que la demande et les applications technologiques, faisant enfin apparaître des pièces de rhodium brillant.

Propriétés

Apparence physique

Métal blanc dur et argenté avec pratiquement aucune couche d'oxyde à température ambiante. Cependant, ce n'est pas un métal très malléable, ce qui signifie que lorsque vous le frappez, il se fissurera.

Masse molaire

102,905 g / mol

Point de fusion

1964 ° C Cette valeur est supérieure à celle du cobalt (1495 ºC), ce qui reflète une augmentation de la résistance de la liaison métallique la plus forte à mesure qu'elle descend dans le groupe.

Point de fusion

3695 ° C C'est l'un des métaux ayant les points de fusion les plus élevés.

Densité

-12,41 g / mL à température ambiante

-10,7 g / mL au point de fusion, c'est-à-dire juste au moment où il fond ou fond

Température de fusion

26,59 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

493 kJ / mol

Capacité thermique molaire

24,98 J / (mol K)

Electronégativité

2,28 sur l'échelle de Pauling

Énergies d'ionisation

-Premier: 719,7 kJ / mol (Rh ⁺ gazeux)

-Second: 1740 kJ / mol (Rh ²⁺ gazeux)

-Troisième: 2997 kJ / mol (Rh ³⁺ gazeux)

Conductivité thermique

150 W / (m K)

Résistivité électrique

43,3 nΩm à 0 ° C

Dureté Mohs

6

Ordre magnétique

Paramagnétique

Réactions chimiques

Le rhodium, bien qu'il s'agisse d'un métal noble, ne signifie pas qu'il s'agit d'un élément inerte. Il rouille à peine dans des conditions normales; mais lorsqu'il est chauffé au-dessus de 600 ºC, sa surface commence à réagir avec l'oxygène:

Rh (s) + O ₂ (g) → Rh ₂ O ₃ (s)

Et le résultat est que le métal perd son éclat argenté caractéristique.

Il peut également réagir avec le fluor gazeux:

Rh (s) + F ₂ (g) → RhF ₆ (s)

Le RhF ₆ est de couleur noire. S'il est chauffé, il peut se transformer en RhF ₅, libérant du fluorure dans l'environnement. Lorsque la réaction de fluoration est réalisée à sec, la formation de RhF ₃ (solide rouge) est favorisée par rapport à celle de RhF ₆. Les autres halogénures: RhCl ₃, RhBr ₃ et RhI ₃ sont formés de manière similaire.

La chose la plus surprenante à propos du rhodium métallique est peut-être sa résistance extrême aux attaques de substances corrosives: acides forts et bases fortes. Aqua regia, un mélange concentré d'acides chlorhydrique et nitrique, HCl-HNO ₃, peut se dissoudre avec difficulté, donnant une solution de couleur rose.

Les sels fondus, tels que le KHSO ₄, sont plus efficaces pour le dissoudre, car ils conduisent à la formation de complexes de rhodium solubles dans l'eau.

Structure et configuration électronique

Les atomes de rhodium cristallisent dans la structure cubique à faces centrées, fcc. Les atomes Rh restent unis grâce à leur liaison métallique, une force responsable à une échelle macro des propriétés physiques mesurables du métal. Dans cette liaison interviennent les électrons de valence, qui sont donnés selon la configuration électronique:

4d ⁸ 5s ¹

C'est donc une anomalie ou une exception, car on s'attendrait à ce qu'il ait deux électrons dans son orbitale 5s, et sept dans son orbitale 4d (obéissant au diagramme de Moeller).

Il y a un total de neuf électrons de valence qui, avec les rayons atomiques, définissent le cristal fcc; structure qui semble être très stable, car on trouve peu d'informations sur d'autres formes allotropes possibles sous différentes pressions ou températures.

Ces atomes Rh, ou plutôt leurs grains cristallins, peuvent interagir de manière à créer des nanoparticules de morphologies différentes.

Lorsque ces nanoparticules Rh poussent au-dessus d'un gabarit (un agrégat polymérique, par exemple), elles acquièrent les formes et les dimensions de sa surface; ainsi, des sphères de rhodium mésoporeuses ont été conçues pour supplanter le métal dans certaines applications catalytiques (qui accélèrent les réactions chimiques sans être consommées dans le processus).

Numéros d'oxydation

Puisqu'il y a neuf électrons de valence, il est normal de supposer que le rhodium peut «tous les perdre» dans ses interactions au sein d'un composé; c'est-à-dire en supposant l'existence du cation Rh ⁹⁺, avec un indice d'oxydation ou un état de 9+ ou (IX).

Les nombres d'oxydation positifs et trouvés pour le rhodium dans ses composés vont de +1 (Rh ⁺) à +6 (Rh ⁶⁺). De tous, +1 et +3 sont les plus courants, avec +2 et 0 (rhodium métallique, Rh ⁰).

Par exemple, dans Rh ₂ O ₃ le nombre d'oxydation du rhodium est +3, car si vous supposez l'existence de Rh ³⁺ et d'un caractère 100% ionique, la somme des charges sera égale à zéro (Rh ₂ ³⁺ Ou ₃ ^2-).

Un autre exemple est représenté par RhF ₆, dans lequel maintenant son indice d' oxydation est +6. Là encore, seule la charge totale du composé restera neutre si l'existence de Rh ⁶⁺ (Rh ⁶⁺ F ₆ ^-) est supposée.

Plus l'atome avec lequel le rhodium interagit est électronégatif, plus sa tendance à montrer des nombres d'oxydation plus positifs est grande; c'est le cas de RhF ₆.

Dans le cas de Rh ⁰, il correspond à ses atomes du cristal fcc coordonné avec des molécules neutres; par exemple, CO, Rh ₄ (CO) ₁₂.

Comment le rhodium est-il obtenu?

Désavantages

Contrairement à d'autres métaux, il n'y a pas de minéral disponible qui soit suffisamment riche en rhodium pour être économique à en obtenir. C'est pourquoi il s'agit plutôt d'un produit secondaire de la production industrielle d'autres métaux; spécifiquement les nobles ou leurs congénères (les éléments du groupe du platine) et le nickel.

La plupart des minéraux utilisés comme matières premières proviennent d'Afrique du Sud, du Canada et de Russie.

Le processus de fabrication est complexe car, même s'il est inerte, le rhodium se trouve en compagnie d'autres métaux nobles, en plus d'avoir des impuretés difficiles à éliminer. Par conséquent, plusieurs réactions chimiques doivent être effectuées pour le séparer de la matrice minéralogique initiale.

Processus

Sa faible réactivité chimique le maintient inchangé lors de l'extraction des premiers métaux; jusqu'à ce que seuls les nobles restent (l'or parmi eux). Ensuite, ces métaux nobles sont traités et fondus en présence de sels, tels que NaHSO ₄, pour les avoir dans un mélange liquide de sulfates; dans ce cas, Rh ₂ (SO ₄) ₃.

A ce mélange de sulfates, à partir duquel chaque métal est précipité séparément par différentes réactions chimiques, NaOH est ajouté pour former de l'hydroxyde de rhodium, Rh (OH) _x.

Le Rh (OH) _x est redissous en ajoutant HCl pour former H ₃ RhCl ₆, qui est toujours dissous et présente une couleur rose. Ensuite, H ₃ RhCl ₆ réagit avec NH ₄ Cl et NaNO ₂ pour précipiter sous forme de (NH ₄) ₃.

Là encore, le nouveau solide est redissous dans plus de HCl et le milieu est chauffé jusqu'à ce qu'une éponge de rhodium métallique précipite pendant que les impuretés sont brûlées.

Applications

Revêtements

Petite contrebasse argentée rhodiée. Source: Mauro Cateb (https://www.flickr.com/photos/mauroescritor/8463024136)

Son caractère noble est utilisé pour recouvrir des pièces métalliques d'un revêtement de celui-ci. De cette manière, les objets en argent sont enduits de rhodium pour le protéger de l'oxydation et de l'assombrissement (formant une couche noire d'AgO et Ag ₂ S), ainsi que de devenir plus réfléchissant (brillant).

Ces revêtements sont utilisés dans les vêtements de bijouterie, les réflecteurs, les instruments optiques, les contacts électriques et les filtres à rayons X dans le diagnostic du cancer du sein.

Alliages

Ce n'est pas seulement un métal noble, mais aussi un métal dur. Cette dureté peut être apportée aux alliages qu'elle constitue, notamment en ce qui concerne le palladium, le platine et l'iridium; dont, ceux de Rh-Pt sont les plus connus. De plus, le rhodium améliore la résistance de ces alliages aux températures élevées.

Par exemple, les alliages rhodium-platine sont utilisés comme matériau pour fabriquer des verres qui peuvent façonner du verre fondu; dans la fabrication de thermocouples, capables de mesurer des températures élevées (plus de 1000 ºC); creusets, douilles pour le nettoyage de la fibre de verre, bobines de four à induction, turbomoteurs d'avion, bougies d'allumage, etc.

Catalyseurs

Convertisseur catalytique d'une voiture. Source: Ballista

Le rhodium peut catalyser des réactions sous forme de métal pur ou coordonné avec des ligands organiques (organorodiques). Le type de catalyseur dépend de la réaction spécifique à accélérer, ainsi que d'autres facteurs.

Par exemple, sous sa forme métallique, il peut catalyser la réduction des oxydes d'azote, NO _x, en oxygène et azote des gaz ambiants:

2 NO _x → x O ₂ + N ₂

Cette réaction se produit constamment au quotidien: dans les pots catalytiques des véhicules et des motos. Grâce à cette réduction, les gaz NO _x ne polluent pas davantage les villes. A cet effet, des nanoparticules de rhodium mésoporeuses ont été utilisées, qui améliorent encore la décomposition des gaz NO _x.

Le composé, connu sous le nom de catalyseur de Wilkinson, est utilisé pour hydrogéner (ajouter H ₂) et hydroformyler (ajouter CO et H ₂) des alcènes pour former respectivement des alcanes et des aldéhydes.

Les catalyseurs au rhodium sont brièvement utilisés pour hydrogéner, carbonyler (ajouter du CO) et hydroformyler. Le résultat est que de nombreux produits en dépendent, comme c'est le cas avec le menthol, un composé chimique essentiel dans la gomme à mâcher; en plus de l'acide nitrique, du cyclohexane, de l'acide acétique, de l'organosilicium, entre autres.

Des risques

Le rhodium, étant un métal noble, même s'il s'infiltrait dans notre corps, ses atomes de Rh ne pourraient (à sa connaissance) être métabolisés. Par conséquent, ils ne présentent aucun risque pour la santé; Sauf s'il y a trop d'atomes Rh dispersés dans l'air, qui pourraient finir par s'accumuler dans les poumons et les os.

En effet, dans les procédés de placage au rhodium sur des bijoux ou des bijoux en argent, les bijoutiers sont exposés à ces «bouffées» d'atomes; raison pour laquelle ils ont souffert d'inconfort dans leur système respiratoire. En ce qui concerne le risque de son solide finement divisé, il n'est même pas inflammable; sauf en cas de brûlure en présence de OF ₂.

Les composés de rhodium sont classés comme toxiques et cancérigènes, dont les couleurs tachent profondément la peau. Voici une autre différence claire dans la façon dont les propriétés d'un cation métallique varient par rapport au métal qu'il contient.

Et enfin, en matière écologique, la faible abondance du rhodium et son manque d'assimilation par les plantes en font un élément inoffensif en cas de déversements ou de déchets; tant qu'il s'agit de rhodium métallique.

Références

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