Tính chất vật lý
- Trạng thái: Ở nhiệt độ phòng, $RuO_4$ tồn tại ở dạng chất rắn màu vàng cam. Nó có nhiệt độ nóng chảy thấp, chỉ 25.4 °C, và nhiệt độ sôi là 40 °C (ở áp suất thường). Do đó, $RuO_4$ dễ dàng thăng hoa ngay cả ở nhiệt độ phòng, tạo thành hơi màu vàng, gây nguy hiểm nếu hít phải.
- Độ hòa tan: $RuO_4$ tan ít trong nước (khoảng 2% ở 20 °C) và phản ứng chậm với nước. Nó tan tốt trong các dung môi hữu cơ không phân cực như cacbon tetraclorua ($CCl_4$) và cloroform ($CHCl_3$), tạo thành các dung dịch màu vàng.
- Cấu trúc phân tử: Phân tử $RuO_4$ có cấu trúc tứ diện đều, tương tự như $OsO_4$ và $XeO_4$, với nguyên tử Rutheni (Ru) nằm ở trung tâm và bốn nguyên tử Oxi (O) liên kết cộng hóa trị với nó ở các đỉnh của tứ diện. Độ dài liên kết Ru-O là 1.705 Å.
Tính chất hóa học
- Tính oxi hóa cực mạnh: $RuO_4$ là một trong những chất oxi hóa mạnh nhất được biết đến. Nó có khả năng oxi hóa hầu hết các hợp chất hữu cơ, bao gồm cả ancol, ete, aldehyd, xeton, amin, sulfua và thậm chí cả ankan ở điều kiện thường. Phản ứng oxi hóa thường diễn ra mãnh liệt, đôi khi gây nổ, và sản phẩm khử của rutheni thường là rutheni đioxit ($RuO_2$) hoặc dạng hydrat của nó ($RuO_2 \cdot xH_2O$), cả hai đều là chất rắn màu đen, không tan. Ví dụ, nó oxi hóa HCl thành $Cl_2$ và $NH_3$ thành $N_2$.
- Phân hủy: $RuO_4$ không bền về mặt nhiệt động. Ở nhiệt độ trên 100 °C, nó có thể phân hủy gây nổ theo phương trình: $RuO_4 \rightarrow RuO_2 + O_2$. Ngay cả ở nhiệt độ phòng, nó cũng phân hủy chậm, quá trình này được thúc đẩy bởi ánh sáng hoặc sự có mặt của tạp chất. Do đó, $RuO_4$ thường được điều chế và sử dụng ngay lập tức (in situ).
- Phản ứng với bazơ: $RuO_4$ phản ứng với dung dịch kiềm mạnh (như $KOH$) để tạo thành muối perruthenat ($RuO_4^{-}$, màu xanh lá cây đậm, Ru ở trạng thái oxi hóa +7) và sau đó là muối ruthenat ($RuO_4^{2-}$, màu cam, Ru ở trạng thái oxi hóa +6). Ví dụ: $4 RuO_4 + 4 KOH \rightarrow 4 KRuO_4 + O_2 + 2 H_2O$. Ion perruthenat ($RuO_4^{-}$) cũng là một chất oxi hóa hữu ích trong hóa học hữu cơ, nhưng ít mạnh hơn và ổn định hơn $RuO_4$.
Điều chế
$RuO_4$ thường được điều chế trong phòng thí nghiệm bằng cách oxi hóa các hợp chất rutheni có số oxi hóa thấp hơn, phổ biến nhất là rutheni triclorua ($RuCl_3 \cdot xH_2O$) hoặc rutheni đioxit ($RuO_2$). Tác nhân oxi hóa mạnh thường được sử dụng là natri periodat ($NaIO_4$) trong dung dịch nước. Phản ứng thường được thực hiện trong hệ hai pha, sử dụng dung môi hữu cơ như cacbon tetraclorua ($CCl_4$) hoặc axetonitril để chiết $RuO_4$ dễ bay hơi ra khỏi pha nước ngay khi nó được tạo thành, giúp hạn chế sự phân hủy và tăng hiệu suất.
Một phương trình tổng quát cho việc điều chế từ $RuCl_3$ là:
$8 Ru^{3+}(aq) + 5 IO_4^{-}(aq) + 12 H_2O(l) \rightarrow 8 RuO_4(g) + 5 I^{-}(aq) + 24 H^{+}(aq)$
(Trong thực tế, phản ứng phức tạp hơn và điều kiện cụ thể có thể thay đổi). Việc sử dụng natri hypochlorite ($NaClO$) hoặc các chất oxi hóa khác cũng có thể được áp dụng.
Ứng dụng
Mặc dù độc tính cao và tính không ổn định, $RuO_4$ và các dẫn xuất của nó (như tetrapropylammonium perruthenate – TPAP) vẫn tìm thấy một số ứng dụng quan trọng nhưng có kiểm soát chặt chẽ:
- Chất xúc tác hoặc thuốc thử oxi hóa trong tổng hợp hữu cơ: Đây là ứng dụng chính của $RuO_4$. Do khả năng oxi hóa mạnh mẽ, nó có thể thực hiện các chuyển hóa hóa học khó khăn. Nó thường được sử dụng với lượng xúc tác cùng với một chất đồng oxi hóa rẻ tiền hơn (như $NaIO_4$ hoặc $NaBrO_3$) để tái sinh $RuO_4$ tại chỗ, giúp giảm thiểu lượng rutheni cần dùng và kiểm soát phản ứng tốt hơn. Các ứng dụng điển hình bao gồm việc oxi hóa rượu bậc hai thành xeton, oxi hóa anken thành điol hoặc cắt mạch cacbon-cacbon, và oxi hóa ete thành este. TPAP ($Pr_4N^{+}RuO_4^{-}$), một dẫn xuất perruthenate, là thuốc thử Ley–Griffith, ổn định hơn và được sử dụng rộng rãi để oxi hóa chọn lọc rượu bậc một thành aldehyd và rượu bậc hai thành xeton.
- Chất nhuộm trong kính hiển vi điện tử: Tương tự như $OsO_4$, $RuO_4$ có thể được sử dụng làm chất cố định và nhuộm tăng độ tương phản cho các mẫu sinh học, đặc biệt là các mẫu chứa lipid hoặc polysaccarit, trong kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM). Nó tương tác mạnh với các cấu trúc này, làm tăng mật độ electron và giúp chúng hiện rõ hơn trên ảnh hiển vi.
- Tiền chất điều chế hợp chất Rutheni khác: $RuO_4$ đôi khi được sử dụng làm chất trung gian để tổng hợp các phức chất hoặc vật liệu chứa rutheni khác do khả năng phản ứng cao của nó.
An toàn
Do tính oxi hóa cực mạnh, tính dễ bay hơi và độc tính cao, cần phải hết sức thận trọng khi làm việc với $RuO_4$. Mọi thao tác phải được thực hiện trong tủ hút hoạt động tốt và sử dụng đầy đủ các thiết bị bảo hộ cá nhân phù hợp, bao gồm găng tay chống hóa chất, kính bảo hộ che kín và mặt nạ phòng độc có phin lọc phù hợp cho hơi axit và chất oxi hóa. Hơi $RuO_4$ rất nguy hiểm khi hít phải, có thể gây kích ứng nghiêm trọng đường hô hấp và tổn thương phổi. Tiếp xúc trực tiếp có thể gây bỏng hóa học nặng cho da và mắt; đặc biệt, nó có thể gây nhuộm đen và tổn thương vĩnh viễn giác mạc. Cần tránh tuyệt đối việc tiếp xúc $RuO_4$ với các vật liệu dễ cháy hoặc các chất hữu cơ khác do nguy cơ gây cháy hoặc nổ.
Lưu trữ
$RuO_4$ nên được điều chế và sử dụng ngay khi cần thiết (in situ) do tính không ổn định của nó. Nếu cần lưu trữ tạm thời dung dịch $RuO_4$ (ví dụ trong $CCl_4$), phải đựng trong bình thủy tinh màu nâu sẫm, đậy nắp kín và bảo quản ở nhiệt độ thấp (ví dụ trong tủ lạnh, nhưng không phải tủ đông vì có thể gây nổ khi thay đổi thể tích). Tuyệt đối không lưu trữ $RuO_4$ trong các bình chứa bằng nhựa vì nó sẽ nhanh chóng oxi hóa và phá hủy vật liệu nhựa, dẫn đến rò rỉ. Khu vực lưu trữ cần thông thoáng và cách xa các chất khử, chất hữu cơ và nguồn nhiệt hoặc ánh sáng.
Một số phản ứng đặc trưng
- Oxi hóa hợp chất hữu cơ: Đây là ứng dụng hóa học chính của $RuO_4$. Nó oxi hóa mạnh mẽ nhiều nhóm chức:
- Ancol: Oxi hóa ancol bậc một thành axit cacboxylic và ancol bậc hai thành xeton.
- Anken và Ankyn: Cắt mạch liên kết đôi C=C hoặc liên kết ba C≡C, tạo thành các sản phẩm như xeton, axit cacboxylic, tùy thuộc vào cấu trúc của anken/ankyn và điều kiện phản ứng.
- Ete: Oxi hóa ete thành este.
- Hydrocacbon: Có thể oxi hóa cả các liên kết C-H, ví dụ như oxi hóa adamantane.
Phản ứng thường được thực hiện với lượng xúc tác $RuO_4$ (hoặc tiền chất của nó như $RuCl_3, RuO_2$) cùng với chất đồng oxi hóa rẻ tiền hơn ($NaIO_4, NaOCl, O_2,…$) để tái sinh $RuO_4$ tại chỗ.
So sánh với Osmi Tetroxit ($OsO_4$)
Cả $RuO_4$ và $OsO_4$ đều là các tetroxit kim loại chuyển tiếp dễ bay hơi, độc, có cấu trúc tứ diện và là chất oxi hóa mạnh. Tuy nhiên, có những khác biệt quan trọng:
- Hoạt tính: $RuO_4$ là chất oxi hóa mạnh hơn đáng kể so với $OsO_4$. Nó có thể thực hiện các phản ứng oxi hóa mà $OsO_4$ không làm được, như cắt mạch anken hoặc oxi hóa các nhóm chức bền vững hơn.
- Độ ổn định: $RuO_4$ kém ổn định hơn nhiều và dễ bị phân hủy (đôi khi gây nổ) hơn $OsO_4$.
- Ứng dụng chính: $OsO_4$ nổi tiếng với phản ứng syn-dihydroxy hóa chọn lọc anken tạo thành cis-diol, một phản ứng quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. $RuO_4$ thường được dùng cho các phản ứng oxi hóa mạnh hơn, như cắt mạch oxi hóa hoặc oxi hóa các nhóm chức trơ.
- An toàn: Mặc dù cả hai đều rất độc, tính không ổn định và khả năng phản ứng dữ dội hơn của $RuO_4$ khiến nó thường được coi là nguy hiểm hơn và khó xử lý hơn $OsO_4$.
Xử lý sự cố tràn đổ
Trong trường hợp $RuO_4$ hoặc dung dịch của nó bị tràn đổ, cần sơ tán khu vực ngay lập tức và đảm bảo thông gió tốt (nếu an toàn để làm vậy). Chỉ những người được đào tạo và trang bị đầy đủ bảo hộ mới được xử lý sự cố. Có thể sử dụng các chất khử như dung dịch natri thiosunfat ($Na_2S_2O_3$), natri bisunfit ($NaHSO_3$) hoặc sắt(II) sunfat ($FeSO_4$) để khử $RuO_4$ thành các hợp chất rutheni ít độc hại và ít hoạt tính hơn (thường là $RuO_2$ màu đen). Dùng vật liệu hấp thụ trơ (như vermiculite hoặc cát khô) để thấm hút sau khi đã khử. Không bao giờ dùng vật liệu hữu cơ (như giấy hoặc vải) để lau chùi vì có thể gây cháy.