Iridium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Iridium, Ir, 77
Elementkategorie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	9, 6, d
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7439-88-5
EG-Nummer	231-095-9
ECHA-InfoCard	100.028.269
Massenanteil an der Erdhülle	0,001 ppm
Atomar
Atommasse	192,217(2)u
Atomradius (berechnet)	135 (180) pm
Kovalenter Radius	141 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f14 5d7 6s2
1. Ionisierungsenergie	8.96702(22) eV ≈ 865.19 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	17.0(3) eV ≈ 1640 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	28.0(1,6) eV ≈ 2700 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	40.0(1,7) eV ≈ 3860 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	57.0(1,9) eV ≈ 5500 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	22,56 g/cm3
Mohshärte	6,5
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 3,8 · 10−5)
Schmelzpunkt	2739 K (2466 °C)
Siedepunkt	4403 K (4130 °C)
Molares Volumen	8,52 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	564 kJ/mol
Schmelzenthalpie	26 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	4825 m·s−1
Elektrische Leitfähigkeit	19,7 · 106S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	150 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände	−3, −1, ±0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +8, +9
Normalpotential	1,156 V (Ir3+ + 3 e− → Ir)
Elektronegativität	2,20 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
H- und P-Sätze	H: 228‐319
	P: 210
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Iridium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ir und der Ordnungszahl 77. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es in der Gruppe 9 (in der älteren Zählung Teil der 8. Nebengruppe) oder Cobaltgruppe. Das sehr schwere, harte, spröde, silber-weiß glänzende Edelmetall aus der Gruppe der Platinmetalle gilt als das korrosionsbeständigste Element. Iridium wird unterhalb 0,11 Kelvin supraleitend.

Geschichte

Im Jahr 1800 kauften William Hyde Wollaston und Smithson Tennant 5959 Feinunzen (etwa 185 Kilogramm) Platinerz aus Kolumbien und untersuchten es, indem sie das Erz in Königswasser lösten. Dabei löste sich ein Großteil des Erzes, es blieb aber auch ein unlöslicher Rückstand. Daraufhin teilten die beiden Chemiker die weitere Untersuchung. Wollaston untersuchte die löslichen Bestandteile und entdeckte darin 1803 die Elemente Rhodium und Palladium.

Tennant kümmerte sich dagegen um den in Königswasser unlöslichen Rückstand. Er erhitzte das schwarze Pulver mit Natriumhydroxid und löste die erhaltene Masse in Wasser. Dabei bildete sich eine gelbe Lösung und es blieb ein Rückstand. Aus der gelben Lösung konnte Tennant das Osmium isolieren. Den unlöslichen Rückstand löste er in Salzsäure. Diese Lösung war zunächst blau, färbte sich dann grün und schließlich dunkelrot. Es gelang Tennant, aus dieser Lösung dunkelrote Kristalle zu erhalten, bei denen es sich wahrscheinlich um Dinatriumhexachloroiridat handelte. Als er die Kristalle erhitzte, bildete sich ein weißes, metallisches Pulver, das er nicht schmelzen konnte und mit Metallen wie Blei oder Kupfer Legierungen bildete. Auf Grund der Farbwechsel beim Lösen in Salzsäure nannte Tennant das Metall Iridium, altgriechisch ἰριοειδής irio-eides „regenbogenartig“. Seine Entdeckungen stellte er 1804 vor.

Gleichzeitig mit Tennant führten auch die französischen Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin und Antoine-François de Fourcroy ähnliche Experimente mit Platinerz durch und entdeckten darin ein neues Element, das sie ptène nannten. Dabei handelte es sich wahrscheinlich um eine Iridium-Osmium-Mischung. Dieser Name setzte sich jedoch nicht durch, Tennant gilt als Entdecker der beiden Elemente und seine Namen wurden beibehalten.

Die erste Anwendung von Iridium entwickelte 1834 John Isaac Hawkins. Auf Grund der großen Härte des Materials setzte er Iridium als Spitze für Füllfederhalter ein. 1892 konstruierte William Chandler Roberts-Austen ein Thermoelement aus Iridium und einer Iridium-Platin-Legierung, das auf Grund des hohen Schmelzpunktes des Elementes für Temperaturmessungen bis 2000 °C geeignet war.

1889 legte das Internationale Büro für Maß und Gewicht fest, dass das Urmeter und das Urkilogramm aus einer Legierung von 90 % Platin und 10 % Iridium bestehen sollen.

1958 konnte Rudolf Mößbauer am Iridium-Isotop ¹⁹¹Ir erstmals den nach ihm benannten Mößbauer-Effekt nachweisen.

Vorkommen

Iridium zählt auf der Erde zu den seltensten Elementen, seine Häufigkeit in der oberen kontinentalen Erdkruste beträgt nur etwa 0,022 μg/kg (ppb). Es ist damit zusammen mit den anderen Platinmetallen Ruthenium, Rhodium und Osmium sowie dem Rhenium eines der seltensten Elemente in der Erdkruste. Dies liegt darin, dass Iridium ein stark siderophiles (eisenliebendes) Element ist und daher bei der Entstehung der Erde große Mengen Iridium in den Erdkern gelangt ist. Der Gehalt des Erdkernes an Iridium wird auf etwa 2,6 mg/kg geschätzt.

Iridium ist immer mit den anderen Platinmetallen vergesellschaftet. Dabei gehört das Element zusammen mit Osmium und Ruthenium zur Iridium-Gruppe der Platinmetalle (IPGE). Diese wirken in Magmaschmelzen im Erdmantel als kompatible Elemente und werden daher bevorzugt in Mineralgitter eingebaut. Dadurch kommt es beim teilweisen Schmelzen von platinmetallreichen Gesteinen zu einer Entmischung der Elemente und zur Anreicherung von Iridium in bestimmten Erzen. Besonders Chromit begünstigt die Anreicherung von Iridium. Daneben findet man auch in sulfidischen Eisen-Nickel-Erzen wie Pentlandit hohe Gehalte an Iridium.

Die höchsten Gehalte an Iridium findet man im Merensky Reef des Bushveld-Komplexes in Südafrika, Great Dyke in Simbabwe, in den Nickel-Erzen von Norilsk und Talnach in Russland, dem Stillwater-Komplex in Montana (Vereinigte Staaten) sowie dem Sudbury-Becken in Kanada. Neben diesen primären Lagerstätten ist Iridium auch in Seifenlagerstätten enthalten, in denen das ausgewaschene Element durch Flüsse abgelagert und angereichert wurde. Diese findet man unter anderem im Departamento del Chocó in Kolumbien und im Ural in Russland.

Im Vergleich zur Erdkruste enthalten Meteoriten hohe Gehalte an Iridium. So enthalten Eisenmeteoriten durchschnittlich 2 ppm Iridium In CI-Chondriten wurden durchschnittlich 462 μg/kg an Iridium gefunden. Der hohe Gehalt von Meteoriten an Iridium konnte auch auf der Erde nachgewiesen werden. In der Iridium-Anomalie konnten erhöhte Iridium-Gehalte in bestimmten Sedimentgesteinen, die vor etwa 66 Millionen Jahren an der Kreide-Paläogen-Grenze entstanden waren, nachgewiesen werden. Als Auslöser hierfür gilt der Einschlag eines Himmelskörpers in den Chicxulub-Krater zu dieser Zeit.

Es sind drei Legierungen des Iridiums als Mineral anerkannt. Dies sind zwei Legierungen mit Platinmetallen, einmal gediegenes Iridium, das alle Iridium-Osmium-Ruthenium-Legierungen umfasst, die Iridium als überwiegendes Element und eine kubische Kristallstruktur besitzen und zum anderen Rutheniridosmin, das ebenfalls überwiegend Iridium, aber eine hexagonale Kristallstruktur besitzt. Dazu ist die Iridium-Eisen-Legierung Chengdeit als Mineral anerkannt. Daneben sind noch einige sulfidische Iridiumminerale bekannt, von denen Irarsit (Ir,Ru,Rh,Pt)AsS das häufigte ist. Insgesamt sind 2025 17 Iridium-Minerale anerkannt.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Wegen seiner Härte und Sprödigkeit kann Iridium nur schwer bearbeitet werden. In der natürlich auftretenden Isotopenzusammensetzung ist Iridium nach Osmium das zweitdichteste Element.

Chemische Eigenschaften

Bei Rotglut oxidiert Iridium unvollständig zu schwarzem IrO₂, das oberhalb 1140 °C wieder zerfällt. Auch ist Iridium wie Osmium in der Hitze und vor allem bei höherem Sauerstoffgehalt als Oxid IrO₃ flüchtig. An kalten Stellen jedoch scheidet es sich im Gegensatz zum Osmium als Metall oder IrO₂ wieder ab. In Pulverform ist es ein entzündbarer Feststoff, der durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden kann. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist. In kompakter Form ist es nicht brennbar. In Mineralsäuren, auch in Königswasser, ist es beständig. In Chlorid-Schmelzen wird es jedoch bei Gegenwart von Chlor zu Doppelchloriden umgesetzt, z. B. Na₂[IrCl₆].

Isotope

Es gibt zwei natürliche Isotope von Iridium, 34 Radioisotope und 21 Kernisomere, wovon das Kernisomer ^192m2Ir mit einer Halbwertszeit von 241 Jahren das stabilste ist. Es zerfällt durch innere Konversion zu ¹⁹²Ir, das mit 73,831 Tagen Halbwertszeit das Isotop mit der längsten HWZ ist.¹⁹²Ir zerfällt als Betastrahler zum Platinisotop ^192mPt, die meisten anderen zu Osmium. Die restlichen Isotope und Kernisomere haben Halbwertszeiten zwischen 300 µs bei ¹⁶⁵Ir und 11,78 Tagen bei ¹⁹⁰Ir.

¹⁹²Ir eignet sich wegen seiner Gammastrahlung mit Energien zwischen 200 und 600 keV (Kiloelektronenvolt) für die Durchstrahlungsprüfung von Bauteilen. Bei Werkstücken mit einer Wanddicke von über 20 mm wird meistens auf dieses Isotop zurückgegriffen (normativ geregelt, siehe z. B. DIN EN ISO 5579).

Für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (ZfP) ist der Iridiumstrahler meistens in Form einer 2–3 mm großen Tablette in einem Strahlerhalter eingeschweißt, und dieser ist in einem verschließbaren Typ-B-Arbeitsbehälter untergebracht, der zur Abschirmung der Gammastrahlung mit abgereichertem Uran ausgekleidet ist.

Arbeitsbehälter für Iridiumstrahler haben folgende Abmessungen: 20 cm lang, 10 cm breit und 15 cm hoch. Das Gewicht beträgt auf Grund des Uranmantels je nach Aktivität etwa 13 bis 20 kg.

→ Liste der Iridium-Isotope

Verwendung

Iridium ist oft Bestandteil von Legierungen, denen es Härte und/oder Sprödigkeit verleiht. Platin-Iridium-Legierungen setzt man bei Präzisionsmessungen, in der Medizin und dem Maschinenbau ein.

Die Nachfrage nach Iridium hat sich in den letzten Jahren erhöht, da Iridium bei einigen aktuellen technologischen Entwicklungen eine wichtige Rolle spielt. So kommt Iridium als Katalysator bei der Gewinnung von Wasserstoff durch PEM-Elektrolyse zum Einsatz sowie bei der Elektro-Chlorierung zur Aufbereitung von Ballastwasser großer Schiffe (seit 2024 verpflichtend) und der Herstellung von OLED-Displays. Der Preis von Iridium ist darum in den letzten Jahren stark gestiegen. Lag er 2017 mit 900 US-$ pro Feinunze noch leicht unter dem Preis von Platin, so war Iridium im Jahr 2020 mit 1600 US-$ pro Feinunze schon doppelt so teuer wie dieses. 2021 kletterte der Preis auf 6200 US-$ empor und lag im Juni 2022 bei ca. 5000 US-$ pro Feinunze.

Weitere Verwendung findet es:

als Bestandteil der Legierung des Ur-Kilogramms sowie des dritten Ur-Meters,
zur Umhüllung von Plutoniumdioxid in Isotopenbatterien,
in Form von Behältern und Tiegeln für Hochtemperaturanwendungen,
als elektrischer Kontakt,
in Schmuck als Platin-Iridium-Legierung (PtIr 800 und PtIr 900) für stark beanspruchte Teile (Trauringe, Krawattennadeln, Verschlüsse, Mechaniken und Federn),
bei Zündkerzen-Elektroden,
in Schreibfedern, vorne an der Spitze für Füllfederhalter wird meist eine Os/Ir-Legierung eingesetzt,
in Legierung mit Platin als Zerstäuberspitze in der Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie,
bei der Messung der Oberflächenspannung nach der Du-Noüy-Ringmethode, wo es in Legierung mit Platin wegen seiner optimalen Benetzbarkeit eingesetzt wird,
in Sputter-Targets zur Erzeugung von elektronenableitenden Beschichtungen von elektrischen Nichtleitern in der hochauflösenden Rasterelektronenmikroskopie,
als UV-Schutzschicht auf hochwertigen Sonnenbrillen,
in Dentallegierungen,
zunehmend als Katalysator chemischer Reaktionen (industriell wichtiger Einsatz bei der Synthese der Essigsäure),
wegen seiner hohen Dichte und seines hohen Schmelzpunktes als Target in der Kernphysik, beispielsweise zur Antiprotonenerzeugung im CERN.
In den Farbstoffen von organischen Leuchtdioden, zur Erzeugung von Singulett-Triplett-Übergängen
als Bestandteil eines Elektrolyseurs (zur Erzeugung von Wasserstoff)
In Elektrodenmaterial von Elektro-Chlorierungssystemen zur Ballastwasserbehandlung von Schiffen, mit dem Schiffe über 400 t bis 2024 verpflichtend ausgerüstet sein müssen.

Sicherheitshinweise

Metallisches Iridium ist wegen seiner Beständigkeit ungiftig. Als Pulver oder Staub ist es leicht entzündlich, in kompakter Form nicht brennbar. Iridiumverbindungen müssen als toxisch eingestuft werden.

Verbindungen

Viele Iridiumsalze sind farbig: Mit Chlor bildet es olivgrünes Iridium(III)-chlorid oder dunkelblauschwarzes, nicht ganz definiertes Iridium(IV)-chlorid. Mit Fluor reagiert es zu gelbem, leichtflüchtigem Iridium(VI)-fluorid beziehungsweise gelbgrünem Iridium(V)-fluorid. Die für Iridium bereits vor Jahren vorhergesagte Oxidationsstufe +IX konnte 2014 durch das synthetisierte [IrO₄]⁺ auch experimentell bestätigt werden. Es handelt sich um das einzige Element, bei welchem diese Oxidationsstufe in einer Verbindung bekannt ist. Neben den Oxiden und Halogeniden des Iridiums sind zahlreiche oktaedrische, diamagnetische Iridium(III)-komplexe, wie Aminkomplexe und Chlorokomplexe bekannt. Die Reduktion von Iridium(III)-chlorid in Alkohol in Gegenwart von π-Akzeptorliganden führt zu quadratisch planaren Iridium(I)-Komplexen, von denen der Vaskas Komplex am besten untersucht ist. Durch Reduktion von Iridium(III)-chlorid mit Kohlenmonoxid erhält man die Iridiumcarbonyle wie das kanariengelbe [Ir₄(CO)₁₂] und das rote [Ir₆(CO)₁₆]. Iridiumkomplexe können in der homogenen Katalyse, insbesondere bei Hydrierungsreaktionen, eingesetzt werden.

Literatur

A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie. Band 1, 9. Auflage. München 2000, ISBN 3-423-03217-0.
M. Binnewies: Allgemeine und Anorganische Chemie. 1. Auflage. Heidelberg 2004, ISBN 3-8274-0208-5.
N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

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