فلز رودیم (Rhodium)

رودیم فلزی نجیب است که به مقاومت منحصر به فردی که در برابر خوردگی دارد، معروف است. البته خواص دیگری مانند پایداری شیمیایی در دمای بالا، دوام و ظاهر براق آن نیز زبانزد است. کلمۀ Rhodium از کلمۀ یونانی رودون (Rhodon) گرفته شده است که به معنی گُل رز است.

هنگامی که این فلز کشف شد، دانشمندان گمان کردند که با گل رز زیبایی به رنگ قرمز مایل به صورتی مواجه شده اند. البته بعداً مشخص شد که این فلز در اکثر موارد دارای رنگ سفید براق (متمایل به نقره ای) است.

رودیم (Rh) با عدد اتمی 45 به شش عضو گروه فلزات نجیب که شامل پالادیوم، روتنیم، ایریدیوم، اوسمیوم و پلاتین است، تعلق دارد. این فلزات در سنگ معدن های فلزی کمیاب مشابهی وجود دارند و برخی نیز خواص مشترکی از خود نشان می دهند.

معمولا رودیم با مقاومت عالی در برابر خوردگی، سختی، ظاهر فلزی به رنگ سفید نقره ای و بی اثر بودن از لحاظ شیمیایی شناخته می شود. این فلز لکه دار نمی شود و در دمای طبیعی اتاق، به هیچ وجه مستعد خوردگی نیست. این موضوع راز دوام فوق العادۀ آن است. خاصیتی که سبب شده امروزه به یکی از نادرترین فلزات گرانبها تبدیل شود.

تاریخچه کشف فلز قرمز رنگ

“دابلیو.اچ والستون” پس از کشف فلز نادر پالادیم، هنگامی که می خواست پلاتین خالص را از سنگ معدن جدا کند، به طور اتفاقی رودیم را کشف کرد. وی از سنگ پلاتینی که در کشور “پرو” یافت شده بود به عنوان مادۀ اولیه استفاده کرد.

 پس از جدا كردن پلاتین و پالادیوم از نمونۀ سنگ معدن، او باقیماندۀ پودر قرمز رنگی را مشاهده کرد كه بعداً به عنوان سدیم رودیم کلرید (Sodium Rhodium Chloride) شناخته شد. مطالعات مختلفی بیانگر این هستند که وی از نیتروهیدروکلریک اسید، کلرید آمونیوم و آهن برای جداسازی پالادیوم استفاده کرده است.

با استفاده از هیدروژن در فرایند احیای نمک کلرید رودیم، او توانست رودیم را که دارای رنگ صورتی است جدا کند. مطالعات مشابه تایید می کنند که رودیم عمدتا به عنوان یک محصول جانبی از عملیات تصفیۀ پلاتین و نیکل یافت می شود. این ماده گاهی در سنگ معادن حاوی طلا، نقره و پلاتین هم وجود دارد.

خواص شاخص فلز رودیم

رودیم بسیاری از خصوصیات مشترک فلزات نادر گروه پلاتین (PGM) را داراست. خواصی که در صدر آن ها می توان به پایداری شیمیایی خوب و همچنین خواص کاتالیزوری عالی اشاره کرد. علاوه بر این، رودیم رسانای خوبی برای گرما و برق است. در برابر خوردگی و لکه (Stain) مقاوم است و از جمله فلزاتی است که خاصیت بازتاب کنندگی بالایی دارد. خاصیتی که آن را به یک فلز گرانبها تبدیل می کند.

هدایت الکتریکی بالا در صورت تماس، رودیم را به ماده ای ایده آل برای تماس های الکتریکی تبدیل می کند. چرا می گوییم این فلز دوام بالایی دارد؟ زیرا به طور کلی حتی در هنگام گرمایش نیز اکسید نمی شود!

اما رودیم هنگام ذوب شدن اکسیژن را جذب می کند و در هنگام انجماد اکسیژن جذب شده را آزاد می کند. در نیتروهیدروکلریک اسید حل می شود. اما در اسید نیتریک حل نمی شود.

این فلز دمای ذوب بالایی در حدود 1963 درجۀ سلسیوس (3،571 درجه فارنهایت) دارد. ترموکوپل های ساخته شده از رودیم می توانند دما را تا 1800 درجۀ سلسیوس (3،272 درجه فارنهایت) با دقت اندازه گیری کنند. نقطۀ جوش این فلز 3،695 درجۀ سلسیوس (6،683 درجه فارنهایت) است. این خواص باعث می شوند تا بتوان از این فلز در دماهای بالا استفاده کرد. در ادامه خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی رودیم را در قالب یک جدول ارائه کرده ایم.

رودیوم چه ایزوتوپ هایی دارد؟

رودیمی که به طور طبیعی یافت می شود، تنها از یک ایزوتوپ تشکیل می شود که ¹⁰³Rh است. پایدارترین رادیوایزوتوپ ها ¹⁰¹Rh با نیمه عمر 3.3 سال، ¹⁰²Rh با نیمه عمر 207 روز، ^102mRh با نیمه عمر 2.9 سال و ⁹⁹Rh با نیمه عمر 16.1 روز هستند.

بیست رادیوایزوتوپ دیگر از این عنصر با وزن های اتمی از 92.926 (⁹³Rh) تا 116.925 (¹¹⁷Rh) تولید شده اند. نیمه عمر بیشتر این ها کمتر از یک ساعت است، به جز ¹⁰⁰Rh و ¹⁰⁵Rh که نیمه عمری برابر با 20.8 ساعت و 35.36 ساعت دارند.

رودیم دارای چندین حالت متا (Meta States) است که پایدارترین حالت آن ^102mRh است. در ایزوتوپ هایی با وزن کمتر از 103 (ایزوتوپ پایدار)، حالت واپاشی اولیه (The Primary Decay Mode) جذب الکترون است و محصول این فرایند “روتنیم” است. در ایزوتوپ های بزرگتر از 103، این فرایند سبب انتشار بتا شده و محصول اصلی پالادیوم است.

اکسیداسیون فلز رودیم

این عنصر بیشتر در حالت های اکسیداسیون +1 و +3 قرار می گیرد. البته چند ترکیب دیگر نیز با حالت های اکسیداسیون مثبت مانند +6 شناخته شده است. رودیم ترکیب Rh₂(O₂CCH₃)₄ را شکل می دهد که مشتقات مختلفی حاوی دو لیگاند اضافی -به عنوان مثال، آب، پیریدین یا تری فنیل فسفین- را در حالت اکسیداسیون +2 تشکیل می دهد. ترکیب هایی که در حالت اکسیداسیون +1 قرار می گیرند، عمدتا حاوی مونوکسیدکربن، الفین ها (Olefin) و فسفین ها به عنوان لیگاند هستند. تمام ترکیبات رودیم به راحتی با گرم شدن احیا و تجزیه می شوند تا فلزی پودری یا اسفنجی تولید شود.

در میان این ترکیبات، تری کلرید رودیم یا RhCl₃ (که رودیم در حالت +3 قرار دارد) یکی از مهمترین آنهاست. این ترکیب، مادۀ اولیه بسیاری از ترکیبات دیگر رودیم را در حالت های مختلف اکسیداسیون فراهم می کند. همچنین در امولسیون های آبی می تواند تعدادی از واکنش های آلی مفید را کاتالیز کند.

آلیاژسازی با پلاتین

رودیم معمولاً با پلاتین و پالادیوم آلیاژ می شود تا مقاومت در برابر خوردگی و خواص مکانیکی را در دمای بالا بهبود بخشد. رودیم مقاومت در برابر خوردگی کروم و تیتانیوم در برابر اسیدهای غیر اکسید کننده را نیز بهبود می بخشد.

آلیاژهای تیتانیوم، با محتوای حداکثر 3 درصد، مقاومت کششی رودیم را افزایش می دهند. آلیاژ Ni₆₃Rh₃₇ از مهم ترین آلیاژهای رودیم است که مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به طلای 14 عیار نشان می دهد.

رودیم به دلیل متبلور شدن در ساختارهای مختلف، یک سری از محلول های مداوم با عناصری مانند اوزیم یا روتنیم تشکیل نمی دهد. مهم ترین آلیاژهای آمورف حاوی رودیم Ta₅₅Rh₄₅ ، Nb₆₀Rh₄₀ ، Nb₅₅Rh₄₅ و Mo₈₂Rh₁₈ هستند.

استخراج رودیوم به چه صورتی انجام می شود؟

بیشتر ذخایر گروه فلزات پلاتین (PGM) در آفریقای جنوبی یافت می شوند. تولید این فلزات شامل تصفیۀ اولیۀ فلزات پایه و همچنین تصفیۀ تکمیلی در پالایشگاه فلزات گرانبها است. مراحل اصلی استخراج شامل شناورسازی یا فلوتاسیون، خردایش، ذوب و تبدیل نهایی (Final Conversion) است.

سنگ های حاوی کروم و سنگ های اکسیدی اغلب چالش هایی را برای استخراج فلزات PGM ایجاد می کنند. فرآیندهای اختصاصی مانند شستشو در دمای پایین (Low Temperature Roasting) و فرآیند لیچینگ برم (اسید) قادرند حداکثر بازده را به ارمغان بیاورند. استفاده از فرایندها، عیار را به میزان 65 درصد برای رودیم و 85 درصد برای پلاتین بهبود می بخشد.

روند معمول تولید رودیم به طور خلاصه شامل مراحل زیر است:

• فلزات نجیب مانند پلاتین، طلا و پالادیوم ابتدا با فرایند رسوب دهی از سنگ معدن های PGM جدا می شوند.
• اکنون بی سولفات سدیم به باقیمانده اضافه شده و ذوب می شود. این مرحله منجر به تولید سولفات رودیم می شود.
• فلز رودیم از سولفات رودیم رسوب می کند.
• افزودن هیدروکسید سدیم باعث رسوب هیدروکسید رودیم می شود.
• افزودن اسید کلریدریک به هیدروکسید رودیم منجر به تولید H₃RhCl₆ (محلول اسید خالص رودیم) می شود. این ماده در ادامه به نیتریت سدیم و کلرید آمونیوم اضافه می شود که مجددا باعث رسوب رودیم می شود.
• اجازه داده می شود که رسوب رودیم در اسیدکلریدریک حل و سپس گرم شود. با حرارت دهی به ناخالصی ها، فلز خالص رودیم تولید می شود.

رودیم را می توان از مبدل های کاتالیزوری خودرو بازیافت کرد. تقریباً 25٪ از حجم تولیدی این فلز از طریق مسیر بازیافت تأمین می شود.

از این فلز چه استفاده هایی می شود؟

گفتیم که رودیم مادۀ بسیار ارزنده ای است. درصد بالایی از رودیم تولید شده به عنوان کاتالیزور برای مبدل های کاتالیزوری خودرو استفاده می شود. بیشتر تقاضای بازار برای رودیم، مبدل های کاتالیزوری خودرو در ژاپن، اروپا و ایالات متحده و تقاضای صنعت شیشه در آسیا است. از آنجا که یکی از نادرترین فلزات است، قیمت آن متغیر بوده و توسط تقاضا تعیین می شود.

رودیم بعضاً به عنوان پوشش تزئینی روی جواهرات ساخته شده از نقره و اجزای مدار اعمال می شود و باعث می شود این محصولات از لکه و خوردگی در امان باشند.

این ماده بر روی محصولات تزئینی اعمال می شود و همچنین برای به دست آوردن سطوح درخشان بسیار منعکس کننده برای لوازم نوری نیز به کار می رود. از فرآیند لایه نشانی الکتریکی (Electrodeposition) برای ایجاد پوشش رودیم با رنگی چشم نواز بر روی جواهرات استفاده می شود.

9

دقیــقه مطالعه

آبکاری و تکنیک های آن

آبکاری یکی از قدیمی‌ترین و متداول‌ترین روش‌های ایجاد پوشش‌های فلزی بر سطح اجسام ...

همان طور که گفتیم، از این فلز برای تولید آلیاژهای پالادیم و پلاتین که دارای سختی بالا و مقاومت در برابر خوردگی عالی هستند نیز استفاده می شود. در سال 1976 مبدل های کاتالیزوری Three-Way توسط کمپانی “ولوو” با استفاده از آلیاژهای رودیم ساخته شد. این پیشرفت باعث شد میزان انتشار اکسید نیتروژن (NO_x) از خودرو به حداقل برسد.

اغلب صنایع شیمیایی برای تولید اکسید نیتریک (Nitric Oxide) که برای تولید مواد منفجره و کود مورد نیاز است، از کاتالیزورهای رودیم-پلاتین استفاده می کنند.

در یکی از پژوهش های اخیر، محققان سوئیسی در موسسه پل شرر (PSI) و ETH زوریخ یک فرآیند شیمیایی جدید ایجاد کردند که با استفاده از انرژی حرارتی خورشید، دی اکسید کربن و آب را به سوخت های پر انرژی تبدیل می کند.

این فرآیند شیمیایی شامل ترکیب مواد جدیدی از اکسید سریم و مقدار کمی رودیم به عنوان کاتالیزور است. این یافتۀ جدید، گامی مهم در جهت ذخیره سازی شیمیایی انرژی خورشیدی است که این مسئله برای دانشمندان موضوعی بسیار دشوار بود. یافته های جدید آن ها در مجلۀ Energy and Environment Science منتشر شده است.

سایر کاربردهای مهم رودیم عبارتند از:

• به عنوان پوشش اعمالی روی محصولات تزئینی
• پایان کاری آینه های براق در صنایع اپتیک
• ساخت اجزای سازه های نوری
• ساخت قطعات موتور توربو
• برای تشخیص شار نوترونی در رآکتورها
• ساخت LCD (نمایشگرهای کریستال مایع) و لوله های اشعه کاتدی (CRT)
• تولید شیشه
• ساخت ترموکوپل هایی که اندازه گیری دقیق دماهای بالا را تضمین می کنند.
• ساخت Bushing برای تولید الیاف شیشه

نکات مهم در خصوص آبکاری رودیوم

مانند همۀ فلزات، رودیم هم مزایا و هم معایبی دارد. یکی از بزرگترین مزایای آبکاری طلا و جواهر و سایر زینتی جات با رودیم، جلای باورنکردنی فلزی آن است. با استفاده از رودیم می توان جواهراتی درخشان و بسیار زیبا تولید کرد.

نکته دیگری که باید در مورد آبکاری رودیم به آن توجه داشت، این است که پوشش حاصل می تواند با گذشت زمان از بین برود. میزان فرسودگی آن توسط عوامل بی شماری از جمله ضخامت آبکاری و میزان سایش تعیین می شود. این بدان معنی است که برای طولانی تر شدن عمر پوشش، باید از شستن یا مالش سطوح سخت با آن جلوگیری کرد.

بهتر است هنگام رفتن به شنا جواهرات رودیمی خود را بردارید. زیرا کلر موجود در آب می تواند به آبکاری آسیب برساند. مراقبت شما تأثیر قابل توجهی بر یکپارچگی جواهرات شما خواهد داشت.

ملاحظات و خطرات هنگام استفاده

ترکیبات رودیم سمی و سرطان زا هستند. این ترکیبات همچنین می توانند باعث ایجاد لکه های قوی روی پوست شوند. در صورت استنشاق آئروسل این فلز نادر توسط بدن جذب شده و در مواردی خطر مرگ ایجاد می کند.

از آنجا که این مادۀ معدنی، کمیاب است، اطلاعات کافی در مورد ایمنی آن وجود ندارد. از این رو، هنگام لمس یا هرگونه پردازش و استفاده از این مواد، باید حداکثر اقدامات احتیاطی انجام شود.

جمع بندی

رودیم فلزی نجیب است که به دلیل مقاومت در برابر خوردگی منحصر به فرد، ثبات شیمیایی در دمای بالا، دوام ، ظاهر براق و بازتابنده ای که دارد معروف است. این عنصر یکی از شش فلز نادر در گروه پلاتین است. رودیم لکه دار نمی شود و مستعد خوردگی نیست. این فلز موارد استفاده متعددی دارد که یکی از شاخص ترین آن ها، استفاده در کاتالیزور خودروهای امروزی است که نقش کاتالیزور را در احیای اکسیدهای سمی نیتروژن به نیتروژن کم خطر بازی می کنند.

David R. Lide (ed.), Norman E. Holden in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition CRC Press. Boca Raton, Florida (2005). Section 11, Table of the Isotopes.

Audi, Georges; Bersillon, Olivier; Blachot, Jean; Wapstra, Aaldert Hendrik (2003), “The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties”, Nuclear Physics A, 729: 3–128, Bibcode:2003NuPhA.729….3A, doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.

www.sciencedirect.com

www.corrosionpedia.com