Ruthenium(IV)-oxid

Kristallstruktur
Kristallstruktur von Ruthenium(IV)-oxid
Vorlage:Farbe Ru4+ 0 Vorlage:FarbeO2−
Allgemeines
Name	Ruthenium(IV)-oxid
Andere Namen	Rutheniumdioxid
Verhältnisformel	RuO2
Kurzbeschreibung	blau-schwarzes<ref name="IS13"></ref>, geruchloses Pulver<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN (wasserfrei) Vorlage:CASRN (Hydrat) EG-Nummer 234-840-6 ECHA-InfoCard 100.031.660 PubChem 82848 ChemSpider 74760 DrugBank Wikidata [[:d:|]]
Eigenschaften
Molare Masse	133,07 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	6,97 g·cm−3<ref name="GESTIS">Eintrag zu Ruthenium(IV)-oxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref>
Schmelzpunkt	> 955 °C<ref name="GESTIS" />
Löslichkeit	praktisch unlöslich in Wasser<ref name="GESTIS" />
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS" /> Gefahrensymbol Gefahr H- und P-Sätze H: 272 P: 210​‐​220​‐​221​‐​280​‐​370+378​‐​501<ref name="GESTIS" />
Toxikologische Daten	4580 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)<ref name="GESTIS" />
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−305 kJ·mol−1 <ref>A. F. Holleman, N. Wiberg: Anorganische Chemie. 103. Auflage. 2. Band: Nebengruppenelemente, Lanthanoide, Actinoide, Transactinoide. Walter de Gruyter, Berlin / Boston 2016, ISBN 978-3-11-049590-4, S. 1975 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref>
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Ruthenium(IV)-oxid ist eine chemische Verbindung des Rutheniums aus der Gruppe der Oxide. Neben der wasserfreien Form sind auch Hydrate bekannt.

Gewinnung und Darstellung

Ruthenium(IV)-oxid kann durch Hydrolyse von Rutheniumhalogeniden (z. B. Ruthenium(III)-chlorid) gewonnen werden.<ref>Harald Schäfer, Gerd Schneidereit, Wilfried Gerhardt: Zur Chemie der Platinmetalle. RuO₂ Chemischer Transport, Eigenschaften, thermischer Zerfall. In: Z.an.allg. Chem. Band 319, 1963, S. 327–336, doi:10.1002/zaac.19633190514.</ref>

Einkristalle des Oxides lassen sich durch eine CVT-Methode (Chemical Vapor Transport) herstellen. Hierfür wird zunächst Ruthenium-Schwamm im Sauerstoffstrom bei 1000 °C zum polykristallinen Oxid umgesetzt. Dieses Oxid wird dann in einem 3-Zonen-Ofen im Sauerstoffstrom bei 1190 °C in ein flüchtiges Oxid überführt, welches sich dann in einer kälteren Region des Rohres bei 1090 °C wieder zu Sauerstoff und Ruthenium(IV)-oxid zersetzt, wobei 3 bis 4 mm große Einkristalle der Zielverbindung entstehen.<ref name="IS13" />

<chem>2RuO2 + O2 <=> 2RuO_{3(g)}</chem>

<chem>RuO2 + O2 <=> RuO_{4(g)}</chem>

Ruthenium(IV)-hydrid-Hydrat wird durch Reaktion von Ruthenium(III)-chlorid mit verdünnter Natronlauge gewonnen, wobei es bei der Erhöhung des pH-Wertes auf 6 beginnt auszufallen.<ref name="Zang">Ling Zang, Horst Kisch: Katalytische Luftoxidation von Kohlenmonoxid bei Raumtemperatur durch Rutheniumdioxid-Hydrat. In: Angewandte Chemie. Band 112, Nr. 21, 2000, S. 4075–4076, doi:10.1002/1521-3757(20001103)112:21<4075::AID-ANGE4075>3.0.CO;2-4.</ref>

Eigenschaften

Wasserfreies Ruthenium(IV)-oxid ist blauschwarz und geruchlos. Es besitzt eine tetragonale Rutil-Kristallstruktur mit der Raumgruppe P4₂/mnm (Raumgruppen-Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136 und den Gitterparametern a = 4,49 Å und c = 3,11 Å sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle. Diese geht bei 5,3 GPa in eine Hochdruckmodifikation in einer Calciumchlorid-Struktur über.<ref>J. Haines, J. M. Léger, O. Schulte, S. Hull: Neutron Diffraction Study of the Ambient-Pressure, Rutile-Type and the High-Pressure, CaCl₂-Type Phases of Ruthenium Dioxide. In: Acta Crystallographica Section B. Band 53, Nr. 6, 1997, S. 880–884, doi:10.1107/S0108768197008094.</ref> Ruthenium(IV)-oxid ist ein guter elektrischer Leiter (spezifischer Widerstand 4 · 10⁻⁵ Ωcm bei Raumtemperatur) und zählt zu den besten Leitern unter allen Oxiden.<ref>J. M. Honig: Some Aspects of Electrical Properties of Metal Oxides. In: Martin S. Seltzer, Robert I. Jaffee: Defects and Transport in Oxides. Springer, 1974, ISBN 978-1-4615-8723-1, S. 316.</ref>

An Ruthenium(IV)-oxid-hydraten RuO₂ · x H₂O sind zwei Formen mit x = 0,29 und x = 2,32 bekannt. Sie haben Rutil-ähnliche Strukturen mit RuO₆-Oktaedern, die in Ketten angeordnet sind. Diese sind untereinander nicht verknüpft. Im Gegensatz zum wasserfreien Oxid weisen die Hydrate eine gemischte Elektronen-Protonen-Leitfähigkeit auf.<ref>David A. McKeown, Patrick L. Hagans, Linda P. L. Carette, Andrea E. Russell, Karen E. Swider, Debra R. Rolison: Structure of Hydrous Ruthenium Oxides: Implications for Charge Storage. In: J. Phys. Chem. B. Band 103, Nr. 23, 1999, S. 4825–4832, doi:10.1021/jp990096n.</ref>

Verwendung

Ruthenium(IV)-oxid wird für die Beschichtung von Titan-Anoden, wie sie beispielsweise für die Chloralkali-Elektrolyse benötigt werden, und in der Elektronikindustrie verwendet.<ref>O. De Nora: Anwendung maßbeständiger aktivierter Titan-Anoden bei der Chloralkali-Elektrolyse. In: Chem. Eng. Techn. Band 42, 1970, S. 222–226, doi:10.1002/cite.330420417.</ref><ref>G. S. Iles, M. E. A. Casale: Ruthenium Oxide Glaze Resistors: New Screen Printing Preparations for Thick Film Circuitry. In: Platinum Met. Rev. 11, 1967, S. 126–129 (online).</ref> Außerdem wird Rutheniumoxid in Widerstandsthermometern für extrem tiefe Temperaturen verwendet.<ref name="abc">A low noise thermometer readout for ruthenium oxide resistors. In: Review of scientific instruments. Band 73, Nr. 10, Oktober 2002 (nasa.gov [PDF; 186 kB; abgerufen am 4. August 2011]). </ref>

Weitere Anwendung findet es im Bereich der Mikroelektronik als Wirksubstanz in Widerstandspasten für die Dickschichttechnik.<ref>Karlheiz Bock: Dickschichttechnik. (PDF) In: Fakultät Elektrotechnik der Technischen Universität Dresden. TU Dresden, 1. Oktober 2014, abgerufen am 18. Februar 2019. </ref>

Ruthenium(IV)-oxid-Hydrat ist in der Lage, als heterogener Katalysator Kohlenstoffmonoxid bei Raumtemperatur zu oxidieren.<ref name="Zang"/> Es wird zudem als Material für pseudokapazitive Energiespeicher als Superkondensator erforscht. Es besitzt eine sehr hohe theoretische Kapazität von 1400–2000 F · g⁻¹, die Anwendung ist aber vor allem durch den hohen Preis eingeschränkt.<ref>Jesse S. Ko, Yayuan Liu, Lingyu Zhang, Courtney McHale, Spencer A. Langevin, Jeffrey W. Long, Debra R. Rolison: Revisiting the Pseudocapacitance of Hydrous Ruthenium Oxide Using 3D Bode Analysis. In: ACS Electrochem. Band 1, Nr. 12, 2025, S. 2841–2849, doi:10.1021/acselectrochem.5c00380.</ref><ref>Dipanwita Majumdar, Thandavarayan Maiyalagan, Zhongqing Jiang: Recent Progress in Ruthenium Oxide-Based Composites for Supercapacitor Applications. In: ChemElectroChem. Band 6, Nr. 17, 2019, S. 4343–4372, doi:10.1002/celc.201900668.</ref>

Einzelnachweise

<references />