Ruthenium(IV)-oxid

Kristallstruktur
	_ Ru4+ 0 _O2−
Allgemeines
Name	Ruthenium(IV)-oxid
Andere Namen	Rutheniumdioxid
Verhältnisformel	RuO2
Kurzbeschreibung	blau-schwarzes, geruchloses Pulver
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer	234-840-6
ECHA-InfoCard	100.031.660
PubChem	82848
ChemSpider	74760
Wikidata	Q417022
Eigenschaften
Molare Masse	133,07 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	6,97 g·cm−3
Schmelzpunkt	> 955 °C
Löslichkeit	praktisch unlöslich in Wasser
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr
H- und P-Sätze	H: 272
	P: 210‐220‐221‐280‐370+378‐501
Toxikologische Daten	4580 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−305 kJ·mol−1
	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.

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.

{\ce {2RuO2 + O2 <=> 2RuO_{3(g)}}}

{\ce {RuO2 + O2 <=> RuO_{4(g)}}}

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.

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. 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.

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.

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. Außerdem wird Rutheniumoxid in Widerstandsthermometern für extrem tiefe Temperaturen verwendet.

Weitere Anwendung findet es im Bereich der Mikroelektronik als Wirksubstanz in Widerstandspasten für die Dickschichttechnik.

Ruthenium(IV)-oxid-Hydrat ist in der Lage, als heterogener Katalysator Kohlenstoffmonoxid bei Raumtemperatur zu oxidieren. 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.

Einzelnachweise

1 2 D. B. Rogers et al.: Single crystals of transition-metal dioxides – A. Ruthenium and iridium dioxides. In: F. A. Cotton (Hrsg.): Inorganic Syntheses. Band 13. McGraw-Hill Book Company, 1972, ISBN 0-07-013208-9, S. 135–145 (englisch).
1 2 3 4 5 6 7 Eintrag zu Ruthenium(IV)-oxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 8. Januar 2020. (JavaScript erforderlich)
↑ 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).
↑ 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.
1 2 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.
↑ 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.
↑ 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.
↑ 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.
↑ 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.
↑ 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).
↑ 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]).
↑ Karlheiz Bock: Dickschichttechnik. (PDF) In: Fakultät Elektrotechnik der Technischen Universität Dresden. TU Dresden, 1. Oktober 2014, abgerufen am 18. Februar 2019.
↑ 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.
↑ 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.

[IS13-1] 1 2 D. B. Rogers et al.: Single crystals of transition-metal dioxides – A. Ruthenium and iridium dioxides. In: F. A. Cotton (Hrsg.): Inorganic Syntheses. Band 13. McGraw-Hill Book Company, 1972, ISBN 0-07-013208-9, S. 135–145 (englisch).

[GESTIS-2] 1 2 3 4 5 6 7 Eintrag zu Ruthenium(IV)-oxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 8. Januar 2020. (JavaScript erforderlich)

[3] 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).

[4] 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.

[Zang-5] 1 2 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.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[9] 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.

[10] 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).

[abc-11] 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]).

[12] Karlheiz Bock: Dickschichttechnik. (PDF) In: Fakultät Elektrotechnik der Technischen Universität Dresden. TU Dresden, 1. Oktober 2014, abgerufen am 18. Februar 2019.

[13] 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.

[14] 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.