Ruthénium

L’histoire du ruthénium

En 1803 et 1804, Smithson Tennant avait échoué à identifier le ruthénium probablement en faible teneur ou à l’état de traces.

En 1807, le chimiste polonais Jędrzej Śniadecki avait déjà isolé le métal qu’il a nommé « vestium », mais il avait renoncé aux droits sur sa découverte.

En 1828, le pharmacien chimiste Gottfried Osann a étudié les résidus de la dissolution du platine brut des montagnes russes de l’Oural dans de l’eau régale. Par la suite, il avait déclaré avoir découvert trois nouveaux éléments dans la liqueur jaune. Il avait nommé l’un d’entre eux « ruthénium », du nom latin Rhuténie (relatif à la Russie). Cependant, son travail maladroitement rédigé avait été contesté par Jöns Jacob Berzelius qui, averti des travaux anglo-saxons, connaissait l’iridium et le rhodium. En effet, il avait tenté de reprendre l’expérience, mais a échoué à trouver le troisième élément. Berzelius avait alors émis un doute suivi d’un véto scientifique sur les travaux d’Osann.

En 1844, le chimiste Carl Ernst Klaus, également connu sous le nom de Karl Karl Karlovitch (Klaus) ou Karlovic Klaus, né à Dorpat, a isolé le ruthénium à l’état pur et en quantité significative. Il a travaillé à partir des résidus poudreux noirs de production de platine, dissous dans de l’eau régale. Il est parvenu à isoler six grammes de l’élément et a développé la chimie du Ru. Il a ainsi confirmé ainsi les travaux pionniers de Osann et a maintenu le nom de ruthénium.    

L’isotope du ruthénium

Avec une masse atomique relative à 101,07 u, la configuration électronique du ruthénium comporte 44 noyaux. L’élément possède 34 isotopes connus, avec des nombres de masse compris entre 87 et 120, ainsi que 7 isomères nucléaires. Sept de ces isotopes naturels sont stables :

•  ⁹⁶Ru stable avec 52 neutrons,
•  ⁹⁸Ru stable avec 54 neutrons,
•  ⁹⁹Ru stable avec 55 neutrons,
•  ¹⁰⁰Ru stable avec 56 neutrons,
• ¹⁰¹Ru stable avec 57 neutrons,
• ¹⁰²Ru stable avec 58 neutrons,
• ¹⁰⁴Ru stable avec 60 neutrons,
• ¹⁰⁶Ru sur une période de 373,59 j.

Seuls les isotopes à l’état stable du ruthénium se trouvent à l’état natif. Le ¹⁰²Ru est l’isotope le plus abondant dans la croûte terrestre. Les isotopes ⁹⁹Ru et ¹⁰¹Ru ont tous deux un spin nucléaire de 5/2, sachant que le spin représente le moment cinétique intégré d’une particule. Cela les rend utilisables en résonance magnétique nucléaire (RMN), avec un rapport gyromagnétique de 1,234 et 1,383 (en 10⁷rad.T⁻¹.s⁻¹).

L’occurrence du ruthénium

La croûte terrestre renferme 5000t de Ru. Le Clarke de cet élément est à moins de 1 mg/tonne. Le ruthénium naturel se présente en métal, généralement combiné en faible quantité à l’iridium ou au platine.

L’Afrique du Sud possède 91%, voire la quasi-totalité, des réserves internationales de platinoïdes. Le sol de ce pays détient une haute teneur en ruthénium. Selon les estimations, il renferme 98% des réserves mondiales de ruthénium. En termes statistiques, l’Afrique du Sud se place à la tête des pays producteurs avec 5 540t de Ru ancrés dans le sol africain. À la seconde place se trouve le Zimbabwe avec 60t, suivie par la Russie avec 43t.   

Les propriétés physiques et chimiques du ruthénium

Le ruthénium est un corps solide avec une structure hexagonale compacte. Sa couleur varie en fonction de la méthode d’extraction utilisée, bien qu’il fluctue généralement entre le gris bleu et le blanc argenté. Toutefois, ce métal peut teindre l’or en noir. Il possède une densité de 12,2, le classant ainsi parmi les métaux de transition les moins lourds de sa catégorie.

Bien qu’il soit dur, le Ru peut également se casser facilement et présente des propriétés similaires à l’osmium et au platine. Sa température de fusion commence à partir de 2330°C. La métallurgie du ruthénium est complexe et peut être réalisée par fusion à l’arc électrique sous atmosphère inerte d’argon ou par des techniques de métallurgie des poudres.

L’élément 44 entre en ébullition à 4100°C, malgré sa haute résistance au choc thermique. Le Ru est inaltérable à l’air et insoluble dans l’eau. C’est un élément inerte et il ne réagit pas au contact d’acide, même à l’eau régale. S’il est stocké à température ambiante, son processus d’oxydation et de corrosion reste inactif, même sous l’influence des alcalis. Ce corps chimique se dissout dans les bases fondues.

Le ruthénium est un supraconducteur. Cette propriété, associée à sa grande valeur pratique et scientifique, rend ce métal précieux et intéressant aux yeux des chercheurs et des industries modernes. Le métal pur de ruthénium constitue également un excellent catalyseur avec une sélectivité élevée. Sous forme de poudre de surface spécifique variable, le Ru est utilisé pour favoriser l’hydrogénation, certaines réductions et oxydations. Il entre dans la synthèse des structures organiques et inorganiques. 

Les corps composés et chimiques du ruthénium

Le ruthénium est un composé intermétallique. Il possède la propriété de renforcer la résistance des alliages de platine et de palladium. Ils deviennent particulièrement stables et rigides, ce qui les rend idéaux pour des applications en bijouterie (pointe de stylo) ou pour des pièces de résistance mécanique.

De plus, le ruthénium, ajouté en très faible proportion (0,1 % en masse) peut multiplier par 100 la résistance à la corrosion du titane.

Ru est caractérisé par une valence comprise entre 0 à VIII, dont les II, III et le IV forment les plus stables. Les composés de cet élément les plus utilisés sont : le dioxyde de ruthénium RuO₂, le tétroxyde de ruthénium RuO₄, le sulfure de ruthénium, les chlorures de ruthénium RuCl₂, RuCl₃ et le fluorure de ruthénium RuF₃, RuF₄, RuF₅, RuF₆.

L’élément 44 e ruthénium réagit avec des éléments semi-métaux tels que P, Se, Te, As, Sb.

Lorsque le ruthénium solide cristallin est mis en contact avec le soufre élémentaire, il se forme du RuS2 solide suivant la formule :

Ru _{solide cristal} + S_{corps simple soufre} → RuS_{2 solide}

Les équations suivantes détaillent certaines combinaisons du Ru :    

• La formule Ru _{solide cristal, en poudre} + 3/2 F_{2 gaz} → RuF_{3 gaz} définit la réaction du Ru exposé à 300°C à du gaz fluor,
• La formule Ru _{solide cristal, en poudre, chauffée au rouge} + 3/2 Cl_{2 gaz} → RuCl_{3 gaz} permet d’obtenir du chlorure de ruthénium,
• Et la formule Ru _{solide cristal} + S_{corps simple soufre} → RuS_{2 solide.}

Depuis 2001, cet élément est utilisé pour la fabrication des disques durs. Il permet de concevoir un revêtement infiniment fin qui se place entre deux couches magnétiques. Ce matériau offre la possibilité de stocker jusqu’à 25,7 Gb/in² et plus tard, grâce aux évolutions technologiques, sa capacité de stockage avoisinera les 400 Gb/in².               

Son alliage avec du platine sert d’enveloppe pour les électrodes des bougies d’allumage de dernière génération.

La toxicité et les effets du ruthénium sur la santé de l’homme   

Le ruthénium est de plus en plus présent dans l’environnement. Sa concentration, y compris dans les dépôts sédimentaires, est en hausse fréquente. Cela est probablement dû à l’utilisation généralisée des catalyseurs platinoïdes dans les pots catalytiques des véhicules pour réduire certains paramètres de la pollution atmosphérique. Bien qu’il ne soit pas considéré comme un oligo-élément essentiel, il peut être dangereux pour la santé humaine. Il a été identifié comme potentiellement cancérigène.

L’incident d’octobre 2017

En septembre et octobre 2017, des niveaux de rayonnement élevés de ruthénium 106 ont été mesurés dans l’atmosphère de plusieurs pays européens, dont l’Allemagne. Les niveaux de rayonnement étaient juste un peu plus élevés que le rayonnement naturel, mais leur origine était un mystère. Les recherches ont conclu que la source était localisée quelque part au sud de l’Oural, en Russie ou au Kazakhstan. Toutefois, ils n’ont pas pu préciser son emplacement exact.

Selon l’IRSN, l’incident a probablement eu lieu dans le complexe nucléaire de Maïak, dans le sud de la Russie, au cours de la dernière semaine du mois de septembre. Des techniciens auraient mal géré la production d’une source de cérium 144 destinée à la recherche de neutrinos stériles en Italie. Toutefois, le gouvernement russe a nié tout incident.

Selon les normes européennes, le taux de radioactivité produit par l’incident aurait dépassé les seuils maximaux de contamination des denrées alimentaires. La radioactivité se serait étendue sur environ quelques dizaines de kilomètres autour du point de rejet.

Il a été révélé que la quantité de ruthénium 106 rejetée était de 100 à 300 térabecquerels, un niveau dangereux pour la population locale.

L’IRSN considère la probabilité de l’importation de denrées alimentaires contaminées en France par le ¹⁰⁶Ru comme « extrêmement faible ». Toutefois, la CRIIRAD reste vigilante en affirmant que cet incident a propagé dans l’atmosphère 375000 fois plus la quantité de rejet annuel de ruthénium 106 autorisée de la centrale nucléaire de Cruas, en Ardèche. Selon cet organisme, une fois la substance radioactive retombée sur le sol et sur le couvert végétal, cela pourrait entraîner une contamination durable de la flore locale.

L’écotoxicité du ruthénium

Les effets toxiques du ¹⁰⁶Ru, comme ceux des autres platinoïdes, restent peu connus. Cependant, il est connu pour être bioaccumulé dans les os chez les animaux à sang chaud. Le tétroxyde de ruthénium ou RuO₄ possède des propriétés similaires à celles du tétroxyde d’osmium. Tous deux sont très volatils et toxiques. Cet élément explose lorsqu’il entre en contact avec des matières combustibles.

Dans les années 70, des études ont été menées sur la cinétique et la présence du ruthénium 106 dans les organismes aquatiques. Ces organismes incluent : Anodonta anatina, deux escargots d’eau douce, Lymnaea stagnalis et Viviparus contectus, un poisson d’eau douce (Alburnus lucidus) ainsi que plusieurs organismes marins : Fucus vesiculosus, Mytilus edulis, Littorina littorea et Purpura lapillus. On leur a fait ingérer la substance toxique sous sa forme complexe de nitrate de nitrosyle. Ces expériences ont permis de conclure sur trois points :

• Le degré de fixation dépend de chaque espèce.
• L’absorption est favorisée par la température.
• Le stockage du Ru se fait dans des parties non vitales de leurs organismes.