Rhodium wurde im Jahr 1803 vom britischen Chemiker William Hyde Wollaston (1766-1828) entdeckt, im selben Jahr, in dem er auch Palladium entdeckte. Wollaston, ein vielseitiger Wissenschaftler, der zur Physik, Chemie und Optik beitrug, arbeitete an der chemischen Analyse von Rohplatin aus Südamerika.
Nach dem Auflösen des Platinerzes in Königswasser (einem Gemisch aus Salzsäure und Salpetersäure) fällte Wollaston das Platin durch Zugabe von Ammoniumchlorid aus. Durch die Behandlung der verbleibenden Lösung mit Natriumchlorid erhielt er einen rosaroten Niederschlag, den er als Salz eines neuen Elements identifizierte. Er nannte dieses Element Rhodium nach dem griechischen Wort rhodon, das Rose bedeutet, in Anspielung auf die charakteristische rosa Farbe seiner verdünnten Salzlösungen.
Die Entdeckung von Rhodium und Palladium durch Wollaston sowie die von Osmium und Iridium durch Smithson Tennant im selben Jahr 1803 vervollständigte die Familie der sechs Platinmetalle. Wollaston hielt seine Entdeckungsmethode mehrere Jahre geheim, was es ihm ermöglichte, gereinigtes Platin zu vermarkten und ein beträchtliches Vermögen anzuhäufen, bevor er seine Techniken 1828 öffentlich bekannt gab.
Rhodium (Symbol Rh, Ordnungszahl 45) ist ein Übergangsmetall der Gruppe 9 des Periodensystems und gehört zur Gruppe der Platinmetalle. Sein Atom besitzt 45 Protonen, 58 Neutronen (für das einzige stabile Isotop \(\,^{103}\mathrm{Rh}\)) und 45 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 4d⁸ 5s¹.
Rhodium ist ein extrem glänzendes, silbrig-weißes Metall mit einer der höchsten Reflexionsfähigkeiten aller Metalle (etwa 80% des sichtbaren Lichts). Es hat eine Dichte von 12,41 g/cm³, ähnlich wie Ruthenium. Rhodium kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten (kfz) Struktur. Es ist ein sehr hartes Metall (Mohs-Härte 6), aber duktiler als Ruthenium oder Iridium.
Rhodium schmilzt bei 1964 °C (2237 K) und siedet bei 3695 °C (3968 K). Obwohl diese Temperaturen hoch sind, hat Rhodium den niedrigsten Schmelzpunkt der Platinmetalle nach Palladium. Rhodium besitzt eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, vergleichbar mit der von Silber.
Rhodium ist chemisch außerordentlich inert und widersteht bei Raumtemperatur fast allen Säuren, einschließlich Königswasser. Diese außergewöhnliche Inertheit, kombiniert mit seinem Glanz und seiner Korrosionsbeständigkeit, macht es zu einem idealen Beschichtungsmaterial für Schmuck und Reflektoren.
Schmelzpunkt von Rhodium: 2237 K (1964 °C).
Siedepunkt von Rhodium: 3968 K (3695 °C).
Rhodium besitzt die höchste Reflexionsfähigkeit aller Platinmetalle.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rhodium-103 — \(\,^{103}\mathrm{Rh}\,\) | 45 | 58 | 102,905504 u | 100 % | Stabil | Einziges stabiles Isotop von Rhodium. Rhodium ist ein mononuklidisches Element. |
| Rhodium-101 — \(\,^{101}\mathrm{Rh}\,\) | 45 | 56 | 100,906164 u | Synthetisch | ≈ 3,3 Jahre | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Durch Neutronenaktivierung hergestellt, in der Forschung verwendet. |
| Rhodium-102 — \(\,^{102}\mathrm{Rh}\,\) | 45 | 57 | 101,906843 u | Synthetisch | ≈ 207 Tage | Radioaktiv (β⁺, Elektroneneinfang). Wird als Tracer in der industriellen Forschung verwendet. |
| Rhodium-105 — \(\,^{105}\mathrm{Rh}\,\) | 45 | 60 | 104,905694 u | Synthetisch | ≈ 35,4 Stunden | Radioaktiv (β⁻). Spaltprodukt, in der industriellen Radiographie verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Rhodium hat 45 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁸ 5s¹, oder vereinfacht: [Kr] 4d⁸ 5s¹. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(16) O(1).
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 16 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d⁸. Die acht 4d-Elektronen sind Valenzelektronen.
O-Schale (n=5): enthält 1 Elektron in der 5s-Unterschale. Dieses Elektron ist ebenfalls ein Valenzelektron.
Rhodium hat 9 Valenzelektronen: acht 4d⁸-Elektronen und ein 5s¹-Elektron. Rhodium zeigt hauptsächlich die Oxidationsstufen +1, +2, +3 und +4, wobei der +3-Zustand bei weitem der häufigste und stabilste ist. Die Oxidationsstufe +3 tritt in den meisten Rhodiumverbindungen auf, insbesondere in Rhodiumtrichlorid (RhCl₃) und Rhodium(III)-oxid (Rh₂O₃).
Der +1-Zustand ist besonders wichtig in der homogenen Katalyse, wo Rhodium(I)-Komplexe wie der Wilkinson-Katalysator [RhCl(PPh₃)₃] weit verbreitet für die Hydrierung von Alkenen verwendet werden. Die +2- und +4-Zustände sind weniger häufig, existieren aber in einigen Koordinationskomplexen. Metallisches Rhodium entspricht der Oxidationsstufe 0.
Rhodium ist eines der edelsten und chemisch inertesten Metalle. Bei Raumtemperatur widersteht es fast allen Säuren, einschließlich Königswasser, das Gold und Platin löst. Nur konzentrierte, siedende Schwefelsäure kann Rhodium langsam angreifen. Diese außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit macht es wertvoll für Anwendungen, die extreme chemische Stabilität erfordern.
Rhodium oxidiert nicht an der Luft bei Raumtemperatur und behält seinen Glanz unendlich lange. Bei hohen Temperaturen (über 600 °C) bildet es eine grauschwarze Rh₂O₃-Oxidschicht, die sich oberhalb von 1100 °C spontan zersetzt und das reine Metall regeneriert. Diese thermische Zersetzung des Oxids ist eine seltene Eigenschaft unter den Metallen.
Rhodium kann durch Schmelzen mit Alkalibisulfaten oder durch elektrochemischen Angriff unter bestimmten Bedingungen gelöst werden. Chlorgas bei hoher Temperatur greift Rhodium an und bildet Rhodiumtrichlorid (RhCl₃), eine rotbraune Verbindung, die als Vorläufer für die Synthese von Rhodiumkomplexen verwendet wird.
Rhodium bildet eine reiche Koordinationschemie, insbesondere mit Phosphinen, Carbonylen und anderen σ-Donor-Liganden. Rhodiumkomplexe gehören zu den aktivsten und selektivsten homogenen Katalysatoren, die in der industriellen organischen Synthese und Feinchemie massiv eingesetzt werden.
Die dominierende Anwendung von Rhodium, die mehr als 80% der weltweiten Nachfrage ausmacht, ist in Drei-Wege-Autokatalysatoren. Diese Abgasreinigungsvorrichtungen, die seit den 1980er Jahren in den meisten Ländern für Benzinfahrzeuge vorgeschrieben sind, nutzen Rhodium für seine einzigartige Fähigkeit, die Reduktion von Stickoxiden (NOₓ) zu Stickstoff und Sauerstoff effizient zu katalysieren.
In einem Drei-Wege-Katalysator oxidieren Platin und Palladium Kohlenmonoxid (CO) zu Kohlendioxid (CO₂) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu CO₂ und H₂O, während Rhodium gleichzeitig Stickoxide (NO, NO₂) zu harmlosem gasförmigem Stickstoff (N₂) reduziert. Kein anderes Metall kann mit der Effizienz von Rhodium für diese Reduktionsreaktion unter den harten Bedingungen eines Abgassystems (hohe Temperaturen, korrosive Gase, thermische Zyklen) mithalten.
Jeder Autokatalysator enthält typischerweise 1 bis 2 Gramm Rhodium, was etwa 10-20% des gesamten Gehalts an Platinmetallen ausmacht. Die Nachfrage nach Rhodium in der Automobilindustrie ist mit der Verschärfung der Euro-, EPA- und chinesischen Emissionsnormen explodiert und hat einen erheblichen Druck auf das begrenzte Angebot dieses extrem seltenen Metalls ausgeübt.
Das Recycling von gebrauchten Autokatalysatoren ist zu einer wichtigen Rhodiumquelle geworden und macht etwa 30% des jährlichen Angebots aus. Rhodium wird aus Katalysatoren durch komplexe Verfahren zurückgewonnen, die Mahlen, Schmelzen, chemische Auflösung und elektrolytische Raffination umfassen. Die Preisschwankungen von Rhodium haben zu massivem Diebstahl von Katalysatoren in vielen Ländern geführt.
Rhodium ist regelmäßig das teuerste Edelmetall der Welt und übertrifft sogar Gold, Platin und Palladium. Sein Preis ist extrem volatil aufgrund des sehr begrenzten Angebots (etwa 30 Tonnen pro Jahr) und der unelastischen Nachfrage der Automobilindustrie, die Rhodium für die NOₓ-Reduktion nicht durch ein anderes Metall ersetzen kann.
Der Rhodiumpreis hat spektakuläre Schwankungen erlebt: etwa 500 US-Dollar pro Feinunze zu Beginn der 2000er Jahre, ein historischer Höchststand von über 10.000 US-Dollar im Jahr 2008, ein Rückgang auf 1.000 US-Dollar während der Finanzkrise, ein allmählicher Anstieg auf 2.000-3.000 US-Dollar in den 2010er Jahren und dann ein Anstieg auf über 29.000 US-Dollar pro Unze im Jahr 2021 (fast eine Million US-Dollar pro Kilogramm), bevor er 2023-2024 auf 4.000-6.000 US-Dollar zurückfiel.
Diese extremen Schwankungen spiegeln die Ungleichgewichte zwischen einem geografisch stark konzentrierten Angebot (80% in Südafrika) wider, das anfällig für Störungen ist (Bergarbeiterstreiks, Energieprobleme), und einer starren Automobilnachfrage, die durch Finanzspekulationen verstärkt wird. Der Rhodiummarkt ist einer der kleinsten und undurchsichtigsten Märkte für Edelmetalle, mit nur wenigen tausend Kilogramm, die jährlich gehandelt werden.
Rhodium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit bedeutenden Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternfusionen. Rhodium-103, das einzige stabile Isotop, liegt in einer Region der Kernstabilitätskurve, die von diesen Prozessen begünstigt wird.
Die kosmische Häufigkeit von Rhodium beträgt etwa 3×10⁻¹⁰ der von Wasserstoff in Atomzahl, was es zu einem der seltensten Elemente im Universum macht. Diese extreme Seltenheit erklärt sich durch seine ungünstige Position in der Kernstabilitätskurve und die niedrigen Neutroneneinfangquerschnitte seiner Vorläufer.
Die Spektrallinien von neutralem Rhodium (Rh I) und ionisiertem Rhodium (Rh II) sind extrem schwer in Sternspektren zu beobachten, aufgrund der sehr geringen kosmischen Häufigkeit dieses Elements. Dennoch wurden Rhodiumlinien in einigen chemisch ungewöhnlichen Sternen nachgewiesen, die extrem mit s-Prozess- und r-Prozess-Elementen angereichert sind.
Hinweis:
Rhodium ist eines der seltensten Elemente in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,001 ppm (1 Teil pro Milliarde), etwa 5.000-mal seltener als Gold und 10.000-mal seltener als Silber. Es bildet nie eigene Erze, sondern ist immer mit anderen Platinmetallen in natürlichen Platinerzen verbunden.
Südafrika dominiert die weltweite Rhodiumproduktion mit etwa 80% des Angebots, hauptsächlich aus dem Bushveld-Komplex, der größten Platinmetalllagerstätte der Welt. Russland liefert etwa 10%, und der Rest stammt aus Kanada, Simbabwe und den Vereinigten Staaten. Die gesamte weltweite Produktion beträgt etwa 30 Tonnen pro Jahr, was Rhodium zu einem der seltensten kommerziell produzierten Metalle macht.
Rhodium wird als Nebenprodukt der Platin- und Nickelraffination durch extrem komplexe hydrometallurgische Verfahren gewonnen. Nach dem Auflösen in Königswasser, der Trennung durch Flüssig-Flüssig-Extraktion und selektiver Fällung wird Rhodium durch Destillation flüchtiger Komplexe oder durch Elektrolyse gereinigt. Der gesamte Prozess kann mehrere Monate dauern und erfordert beträchtliches metallurgisches Know-how.
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