Ruthénium

Natif des Monts Oural, d’où son nom dérivé du latin Ruthenia, il fait partie, avec le rhodium, le palladium, l’osmium, l’iridium, et le platine du « groupe des six », autrement dit le groupe du platine avec l’avantage d’être tout de même le moins coûteux des métaux précieux et l’intérêt d’intervenir dans tous les domaines de la technologie contemporaine (pour ne pas dire HighTech)

Le ruthénium a été identifié et isolé en 1844 par Karl Karlovich Klaus, un chimiste russe d’origine estonienne. Il a montré que l’oxyde de ruthénium contenait un nouveau métal et en a extrait 6 g de la partie insoluble dans l’eau régale du platine brut. Jöns Jacob Berzelius et Gottfried Osann l’avaient presque découvert en 1827, quand ils ont examiné les résidus de la dissolution du platine brut des Monts Oural dans l’eau régale. Berzélius n’a pas trouvé de nouveau métal, mais Osann pensait en avoir trouvé trois et a nommé l’un d’entre eux ruthénium, dérivé du nom latin Ruthenia qui décrivait une zone géographique couvrant la majeure partie de la Grande Russie, l’Ukraine, le Belarus et une partie de la Pologne et de la Slovaquie.

Élément rare (c’est le 74e métal le plus abondant), on le rencontre à l’état natif sous forme de métal ou en alliage avec du platine. Le minéral le plus important est la laurite, RuS2, mais il existe également des traces de ruthénium dans une série de minerais de nickel (cf. Nickel) et de cuivre (cf. Cuivre). La production mondiale s’élève à environ 12 tonnes par an.

C’est souvent un sous-produit de l’extraction des métaux précieux : iridium, rhodium (cf. Rhodium), platine (cf. Platine) et palladium (cf. Palladium) et, en Russie, du nickel où il accompagne le palladium. Les réserves mondiales sont estimées à 5 000 tonnes.

C’est également un produit de la fission de 235U, présent en quantités non négligeables, mais difficilement exploitables du fait d’une séparation difficile et de la présence d’isotopes radioactifs qui imposeraient un stockage d’une durée correspondant à plusieurs demi-vies.

Le ruthénium comporte 7 isotopes naturels allant de 96Ru à104Ru, le plus abondant étant 102Ru (31,6 %) et 34 isotopes radioactifs. Sa configuration électronique [Kr] 4d7 5s1 est atypique pour un métal de transition du groupe 8, mais partage ce type de comportement avec ses congénères de la même triade, le rhodium et le palladium. Les états d’oxydation du ruthénium s’étalent de 0 à +8 ; l’état d’oxydation –2 est également connu, mais les états d’oxydation les plus communs sont +2, +3 et +4. On peut citer RuO4 (+8), un composé volatil et puissant oxydant, KRuO4 (7), K2RuO4 (+6), RuO2 (+4) et RuCl3•3H2O (+3) qui est la source d’une riche chimie de coordination et organométallique.

Le ruthénium forme une grande variété de complexes de coordination, à commencer avec l’ammoniac, tels les complexes pentammines [Ru(NH3)5L]n+ où le ruthénium est présent à l’état Ru(II) ou Ru(III). Les complexes des bipyridines et terpyridine font l’objet d’un grand nombre d’études du fait de leurs propriétés luminescentes.
En particulier, le chlorure de tris(bipyridine)ruthénium(II), Ru(bipy)3]Cl2, d’un beau rouge vermillon, possède des propriétés photoredox qui sont à la base de la photodissociation de l’eau en ses éléments et de l’élaboration de cellules photovoltaïques d’un nouveau type.

Le ruthénium forme également de nombreux complexes avec

    • les composés carbonés : des ruthénium carbonyles avec le monoxyde de carbone, comme le triruthénium dodécacarbonyle, Ru3(CO)12, au ruthénocène, Ru(C5H5), analogue du ferrocène, ou les complexes carbène dont les exemples les plus représentatifs -et utiles- sont les complexes de Grubbs et Grubbs-Hoveyda, catalyseurs des réactions de métathèse d’oléfines,
    • les composés du phosphore(III) : phosphines, diphosphines, phosphites… que l’on retrouve dans des complexes tels que RuHCl(CO)(PPh3)3, RuCl2(PPh3)3 et RuHCl(PPh3)3 employés en catalyse d’hydrogénation.

Le ruthénium rentre en faible quantité dans la composition de nombreux alliages du fait de sa capacité à les durcir. C’est le cas des superalliages (cf. Nickel, Aciers inox) employés pour la fabrication des pales des turbines de moteurs à réaction. Il renforce les alliages à base de rhodium, palladium, platine utilisés pour les contacts électriques résistant à l’usure : par exemple, les bougies haut de gamme ont des électrodes recouvertes d’un alliage Pt-Ru, les pointes de stylos, également haut de gamme, sont élaborées avec des alliages contenant du ruthénium.

Le dioxyde de ruthénium, RuO2, et les ruthénates de plomb et de bismuth, [M]RuO4 sont employés dans l’élaboration de puces résistives. Ces deux domaines d’application représentent la moitié de la consommation annuelle de ruthénium. Toujours dans le domaine de l’électronique, le ruthénium intervient dans la fabrication de disques durs sous forme d’un revêtement de trois atomes d’épaisseur entre deux couches magnétiques. Ce matériau, à magnétorésistance géante, permet actuellement de stocker plus de 100 Go/cm² ce qui a valu à Albert Fert de partager le Prix Nobel de Physique 2007.

Enfin, le ruthénium est un élément polyvalent en catalyse hétérogène comme homogène, mais c’est dans ce dernier domaine qu’il brille par des applications développées en catalyse

    • d’hydrogénation de liaisons doubles C=C et C=O, y compris énantiosélective par l’emploi de phosphines, diphosphines (le fameux « BINAP ») et phosphites chiraux,
    • de synthèse et de décomposition de l’acide formique (cf. Acide formique) en ses constituants, le dihydrogène (cf. Hydrogène) et le dioxyde de carbone (cf. Dioxyde de carbone),
    • en réactions de métathèse d’oléfines, débouchant sur la synthèse de molécules actives, de polymères fonctionnalisés, etc., réaction ayant valu l’attribution du Prix Nobel de Chimie 2006 à Yves Chauvin, Robert H. Grubbs et Richard R. Schrock.

Pensée du jour
« Ruthénium : le charme slave pour la catalyse, l’électronique et la métallurgie ! »

Sources

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