Iridium ist ein schweres Element, das fast ausschließlich durch den r-Prozess (schnelle Neutroneneinfang) während kataklysmischer Ereignisse wie Supernovae vom Typ II oder Neutronensternverschmelzungen synthetisiert wird. Als siderophiles Element (Affinität zu Eisen) wurde es während der planetaren Differenzierung der Erde weitgehend in den Eisenkern abgezogen, was seine extreme Seltenheit in der Erdkruste erklärt. Seine Häufigkeit in bestimmten primitiven chondritischen Meteoriten ist viel höher, was es zu einem idealen Tracer für extraterrestrisches Material macht.
Die Entdeckung einer anomal iridiumreichen Tonschicht an der Kreide-Paläogen-Grenze (K-Pg, vor 66 Millionen Jahren) durch Luis und Walter Alvarez im Jahr 1980 revolutionierte die Geologie. Diese Anomalie, die bis zu 100-mal höher ist als der normale Krustenwert, konnte nicht durch irdische Prozesse erklärt werden. Sie war der erste solide Beweis für die Hypothese, dass das Aussterben der Dinosaurier (und 75% aller Arten) durch den Einschlag eines Asteroiden mit etwa 10 km Durchmesser verursacht wurde. Der entsprechende Krater wurde später in Chicxulub, Mexiko, identifiziert.
Seit dieser Entdeckung werden Iridiumanomalien systematisch in geologischen Schichten als Marker für große Meteoriteneinschläge gesucht. Sie haben es ermöglicht, andere Aussterbe- oder biotische Störungsevents, wie an der Trias-Jura-Grenze, zu identifizieren. Iridium ist somit zu einem Schlüsselelement geworden, um die Erdgeschichte mit astronomischen Phänomenen zu verknüpfen.
Iridium besitzt zwei natürliche stabile Isotope, \(^{191}\mathrm{Ir}\) und \(^{193}\mathrm{Ir}\). Die Isotopenverhältnisse von Iridium, kombiniert mit denen anderer siderophiler Elemente wie Osmium, Platin oder Ruthenium, ermöglichen die Unterscheidung von Quellen extraterrestrischen Materials (z.B. Differenzierung zwischen chondritischen und differenzierten Meteoriten) und ein besseres Verständnis des planetaren Akkretionsprozesses.
Iridium leitet seinen Namen von der griechischen Regenbogengöttin Iris (Ἶρις) ab. Dieser Name wurde von seinem Entdecker Smithson Tennant im Jahr 1803 gewählt, aufgrund der großen Vielfalt an leuchtenden Farben, die seine Salze in Lösung zeigen. Im Gegensatz zu Osmium, das gleichzeitig entdeckt wurde und nach seinem Geruch benannt ist, wurde Iridium also für seine chromatische Schönheit gefeiert.
Wie Osmium wurde Iridium 1803 vom englischen Chemiker Smithson Tennant entdeckt. Bei der Untersuchung des schwarzen, unlöslichen Rückstands, der nach der Auflösung von gediegenem Platin in Königswasser erhalten wurde, gelang es ihm, zwei neue Elemente zu isolieren. Eines bildete ein flüchtiges Oxid mit starkem Geruch (Osmium), das andere ergab Salze mit bemerkenswerten Farben. Er nannte letzteres Iridium. Die Schwierigkeit, es zu schmelzen und zu bearbeiten, brachte ihm den Spitznamen "widerspenstiges Metall" ein.
Die erste Herstellung von relativ reinem Iridiummetall wird Tennant bereits 1804 zugeschrieben, aber erst 1842 gelang es dem französischen Chemiker Henri Sainte-Claire Deville, signifikante Mengen zu gewinnen und seine Eigenschaften zu untersuchen. Sein sehr hoher Schmelzpunkt und seine extreme Härte machten die industrielle Verarbeitung bis zum Aufkommen von Lichtbogenöfen und Pulvermetallurgietechniken im 20. Jahrhundert sehr schwierig.
Iridium ist eines der seltensten Elemente in der Erdkruste mit einer geschätzten Häufigkeit von nur 0,001 ppb (parts per billion), etwa 40-mal seltener als Gold. Diese Seltenheit erklärt sich durch seinen siderophilen Charakter. Wie andere Platinmetalle gibt es keine primären Iridiumlagerstätten. Es wird immer als Nebenprodukt der Raffination von Nickel und Kupfer (Sulfidlagerstätten wie Norilsk) oder hauptsächlich bei der Verarbeitung von Platinerzen (Bushveld-Lagerstätte in Südafrika, die den Großteil des weltweiten Iridiums liefert) gewonnen.
Die jährliche Weltproduktion ist sehr gering, in der Größenordnung von einigen Tonnen. Die Hauptproduzenten sind Südafrika, Russland, Kanada und Simbabwe. Sein Preis ist extrem hoch und volatil, oft höher als der von Gold, was seine Seltenheit, die Komplexität der Gewinnung und die Nischennachfrage in Hochtechnologien widerspiegelt.
Iridium (Symbol Ir, Ordnungszahl 77) ist ein Übergangsmetall der 6. Periode, das in der Gruppe 9 (früher VIII) des Periodensystems zusammen mit Kobalt, Rhodium und Meitnerium steht. Es gehört zu den Platinmetallen (Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium, Iridium). Sein Atom hat 77 Protonen, in der Regel 115 oder 116 Neutronen (für die Isotope \(^{193}\mathrm{Ir}\) und \(^{191}\mathrm{Ir}\)) und 77 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁷ 6s². Diese Konfiguration weist sieben Elektronen in der 5d-Unterschale auf.
Iridium ist ein silberweißes, glänzendes, sehr dichtes, extrem hartes und sprödes Metall. Es teilt sich mit Osmium den Titel des dichtesten Elements.
Iridium weist bei Raumtemperatur eine kubisch-flächenzentrierte (kfz) Kristallstruktur auf.
Iridium schmilzt bei 2466 °C (2739 K) und siedet bei 4428 °C (4701 K). Es behält eine ausgezeichnete mechanische und chemische Stabilität bei extremen Temperaturen, was es zu einem Material der Wahl für die anspruchsvollsten Anwendungen macht.
Iridium ist das korrosionsbeständigste Metall. Es wird von allen Säuren, einschließlich Königswasser, bei Raumtemperatur nicht angegriffen. Es kann langsam von Königswasser bei hoher Temperatur und Druck angegriffen werden. Es widersteht auch geschmolzenen Alkalien. Seine Hauptschwäche ist eine gewisse Oberflächenoxidation oberhalb von 600 °C zu IrO₂, das jedoch stabil und schützend ist. Diese legendäre Trägheit macht es zum idealen Kandidaten für Standards und Anwendungen, bei denen die Reinheit unendlich erhalten werden muss.
Dichte: 22,56 g/cm³ - eine der höchsten (zusammen mit Osmium).
Schmelzpunkt: 2739 K (2466 °C) - extrem hoch.
Siedepunkt: 4701 K (4428 °C).
Kristallstruktur: Kubisch-flächenzentriert (kfz).
Elastizitätsmodul: ~528 GPa - extrem steif.
Härte: 6,5 auf der Mohs-Skala.
Korrosionsbeständigkeit: Die höchste aller Metalle.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Iridium-191 — \(^{191}\mathrm{Ir}\) | 77 | 114 | 190,960594 u | ≈ 37,3 % | Stabil | Stabiles Isotop. Wird zur Herstellung des medizinischen Isotops \(^{192}\mathrm{Ir}\) durch Neutronenaktivierung verwendet. |
| Iridium-193 — \(^{193}\mathrm{Ir}\) | 77 | 116 | 192,962926 u | ≈ 62,7 % | Stabil | Hauptisotop, stabil. Referenzisotop für Messungen. |
| Iridium-192 — \(^{192}\mathrm{Ir}\) (künstlich) | 77 | 115 | 191,962605 u | Spur (radiogen) | 73,827 Tage | Radioaktiv β⁻ und CE. Wichtiges Isotop für die Strahlentherapie (Brachytherapie) und die industrielle Gammagraphie (zerstörungsfreie Prüfung). Wird durch Neutronenbestrahlung von \(^{191}\mathrm{Ir}\) hergestellt. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern organisiert sind.
Iridium hat 77 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁷ 6s² weist eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) und sieben Elektronen in der 5d-Unterschale auf. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(15) P(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁷ 6s².
K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 32 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O-Schale (n=5): 15 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d⁷).
P-Schale (n=6): 2 Elektronen (6s²).
Iridium hat 9 Valenzelektronen: zwei 6s²-Elektronen und sieben 5d⁷-Elektronen. Iridium zeigt eine breite Palette von Oxidationszuständen, von -3 bis +9, wobei die Zustände +3 und +4 am häufigsten und stabilsten sind.
Der +3-Zustand ist sehr stabil und kommt in vielen Komplexen vor (z.B. \(\mathrm{IrCl_6^{3-}}\)). Der +4-Zustand ist ebenfalls häufig (z.B. \(\mathrm{IrO_2}\), \(\mathrm{IrF_6^{2-}}\)). Bemerkenswerterweise kann Iridium sehr hohe Oxidationszustände erreichen, bis zu +9 im \(\mathrm{IrO_4^+}\)-Kation in der Gasphase, was der absolute Rekord für jedes Element ist. Diese Vielfalt an Oxidationszuständen, kombiniert mit der großen Trägheit des Basismetalls, macht es zu einem faszinierenden Element für die Koordinationschemie und Katalyse (insbesondere Hydrosilylierungskatalysatoren und bestimmte metallorganische Katalysatoren).
Bei Raumtemperatur ist Iridium an der Luft perfekt stabil. Es beginnt sich erst oberhalb von 600 °C signifikant zu oxidieren und bildet eine Schicht aus Iridiumdioxid (IrO₂), die stabil und haftend ist und einen gewissen Schutz bietet. Oberhalb von 1100 °C verflüchtigt sich diese Oxidschicht. Im Gegensatz zu Osmium bildet es kein giftiges, flüchtiges Oxid wie OsO₄.
Iridium ist berühmt für seine Unangreifbarkeit durch Säuren:
Diese Beständigkeit macht es ideal für Labortiegel, die für die Handhabung ultra-korrosiver Substanzen bestimmt sind.
N.B.:
Iridium reagiert direkt mit Halogenen bei hoher Temperatur. Mit Fluor bildet es IrF₆ (Hexafluorid, gelber Feststoff) und IrF₄. Mit Chlor bildet es IrCl₃ (Trichlorid, rot-brauner Feststoff) und IrCl₄. Es reagiert auch gleichzeitig mit Sauerstoff und Chlor zu Oxychloriden. Es bildet Verbindungen mit Schwefel, Selen, Tellur, Phosphor, Arsen, Silizium und Bor bei hoher Temperatur.
Die wichtigste Oxidationsverbindung ist Iridiumdioxid IrO₂.
Die Legierung Platin-Iridium (90/10) wurde Ende des 19. Jahrhunderts für die Herstellung der internationalen Prototypen des Meters und des Kilogramms gewählt, aufgrund einzigartiger Eigenschaften:
Obwohl Meter und Kilogramm heute durch fundamentale Konstanten definiert sind, bleiben die alten Platin-Iridium-Standards historische und symbolische Stücke der metrologischen Wissenschaft.
Reines Iridium ist das Material der Wahl für Tiegel, die im Czochralski-Verfahren zum Züchten von Einkristallen aus Oxiden mit sehr hohen Schmelzpunkten verwendet werden, wie:
Seine Reinheit, der sehr hohe Schmelzpunkt und die chemische Trägheit verhindern die Kontamination des wachsenden Kristalls.
Anoden, die mit einer Mischung aus leitfähigen Oxiden (wie IrO₂ + Ta₂O₅) auf einem Titansubstrat beschichtet sind, werden als "dimensionsstabil" bezeichnet. Sie sind elektrochemisch unangreifbar und haben die Chlor-Alkali-Industrie revolutioniert, indem sie die umweltschädlichen Graphitanoden ersetzten. Sie werden auch für die Wasserelektrolyse, Wasseraufbereitung und Galvanik verwendet.
Das künstliche radioaktive Isotop \(^{192}\mathrm{Ir}\) ist eine Gammaquelle mittlerer Energie (mittlere Energie ~380 keV) mit einer praktischen Halbwertszeit von 74 Tagen. Es wird weit verbreitet in der Brachytherapie eingesetzt, einer Form der Strahlentherapie, bei der die radioaktive Quelle innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des Tumors platziert wird.
Derselbe \(^{192}\mathrm{Ir}\)-Strahl wird für die zerstörungsfreie Prüfung durch industrielle Radiographie verwendet. Er ermöglicht die Überprüfung der Integrität von Schweißnähten an Pipelines, Druckbehältern, Luftfahrtstrukturen und Gussteilen. Seine Durchdringung ist für eine breite Palette von Stahlstärken geeignet.
Nickelbasierte Legierungen (Superlegierungen) oder Platin, das mit Iridium verstärkt ist, werden in den thermisch und chemisch am stärksten beanspruchten Komponenten verwendet:
Die Zugabe von Iridium zu Platin, Palladium oder Wolfram verbessert die Härte, die Lichtbogenbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit von elektrischen Kontakten, die in Hochleistungsschaltern, Flugrelais und Sicherheitseinrichtungen verwendet werden, erheblich.
Metallisches Iridium gilt als biologisch inert und wenig toxisch aufgrund seiner extremen Unlöslichkeit und fehlenden Reaktivität. Es besteht praktisch kein Risiko durch das massive Metall.
Allerdings:
Natürliches Iridium ist in winzigen Spuren in der Umwelt vorhanden und stellt kein Umweltgift dar. Der Abbau von Platinmetallen, zu denen es gehört, kann lokale Umweltauswirkungen haben (Bodenstörung, Bergbauabfallmanagement). Industrielle Aktivitäten, die Iridium verwenden, erzeugen aufgrund seines Wertes und seiner Natur als kritisches Element wenig dispersive Abfälle.
Das Recycling von Iridium ist aufgrund seines extrem hohen Preises und seiner Seltenheit wirtschaftlich zwingend erforderlich. Es wird sorgfältig aus folgenden Quellen zurückgewonnen:
Recyclingprozesse umfassen in der Regel selektive Sammlung, Auflösung unter aggressiven Bedingungen (heißes Königswasser unter Druck) und Reinigung durch selektive Fällung oder Ionenaustausch.
Iridium ist ein kritisches Material für die Europäische Union und die Vereinigten Staaten. Seine Anwendungen in grünen Technologien (Elektrolyseure für grünen Wasserstoff), Hochtechnologie und Gesundheit machen es zu einem strategischen Element. Zukünftige Herausforderungen umfassen:
Iridium bleibt durch seine Verbindung zu den größten kosmischen Kataklysmen und seine Rolle in den fortschrittlichsten Technologien ein Element, das sowohl Zeuge der Vergangenheit als auch Schlüssel für unsere technologische Zukunft ist.
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