Кто из русских химиков открыл рутений. Исследовательская работа: Химический элемент- Рутений. Открыть и доказать

Рутений - элемент побочной подгруппы восьмой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 44. Обозначается символом Ru (лат. Ruthenium ).

История открытия рутения

История открытия этого элемента началась в России, когда в 20-х годах XIX столетия на Урале были обнаружены месторождения платины. Весть об этом открытии быстро облетела мир и вызвала много тревог и волнений на международном рынке. Среди иностранных спекулянтов ходили слухи о чудовищных самородках, о платиновом песке, который платиноискатели черпают прямо лопатами. Месторождения платины, действительно, оказались богатыми, и граф Канкрин, бывший в то время министром финансов России, дал распоряжение о чеканке платиновых монет. Монеты стали чеканить достоинством в 3,6 и 12 рублей. Было выпущено 1 400 000 платиновых монет, на которые израсходовали более 20 т самородной платины.

В год распоряжения Канкрина о чеканке монет профессор Юрьевского университета Озанн, исследуя образцы уральской платины, пришел к заключению, что платину сопровождают три новых металла. Один из них Озанн назвал полураном, второй - полином, а третьему в честь латинского названия. России - Рутения дал имя - рутений. "Открытие" Озанна химики встретили с недоверием. Особенно протестовал шведский химик Берцелиус, авторитет которого в то время был поистине мировым. Возникший между Озанном и Берцелиусом спор взялся разрешить профессор химии Казанского университета К. К. Клаус. Получив в свое распоряжение небольшое количество остатков от чеканки платиновой монеты, Клаус обнаружил в них новый металл, за которым и сохранил название рутений, предложенное Озанном. 13 сентября 1844 г. Клаус сделал в Академии наук сообщение о новом элементе и его свойствах. В 1845 г. доклад Клауса под названием "Химические исследования остатков уральской платиновой руды и металла рутения" вышел в свет в виде отдельной книги. "...Малое количество изученного материала - не более шести граммов совершенно чистого металла - не позволило мне продолжать мои исследования", - писал Клаус в своей книге. Однако полученные данные о свойствах нового металла дали возможность Клаусу твердо заявить об открытии нового химического элемента.

Желая ознакомить иностранных ученых с открытием нового элемента, Клаус послал образец металла Берцелиусу. Ответ Берцелиуса был по меньшей мере странным. Имея в руках новый элемент с подробным описанием свойств, он не согласился с мнением Клауса. Берцелиус заявил, что полученный от Клауса металл есть "проба нечистого иридия", давно известного элемента. Позднее Берцелиус вынужден был признать свою ошибку.

Получение рутения

Разделение платиновых металлов и получение их в чистом виде (аффинаж) -очень сложная задача, требующая большой затраты труда, времени, дорогих реактивов, а также высокого мастерства. Самородную платину, платиновый «лом» и другой материал прежде всего обрабатывают «царской водкой» прислабом нагревании. При этом полностью переходят в раствор платина и палладий в видеН2 и H2, медь, железо и никель - в виде хлоридов CuCl2,FeCl3, NiCl2. Частично растворяются родий и иридий в виде H3 иH2. Нерастворимый в «царcкой водке» остаток состоит из соединения осмия с иридием, а также сопутствующих минералов (кварца SiO2, хромистого железняка FeCr2O4, магнитного железняка Fе3О4 и др.).Отфильтровав раствор, из него осаждают платину хлоридом аммония. Однако, чтобы осадок гексахлорплатината аммония не содержал иридия, который образует также труднорастворимый гексахлориридит (IV) аммония(NH4)2, необходимо восстановить Ir (IV) до Ir (III). Это производят прибавлением, например, тростникового сахара C12H22O14 (способ И.И.Черняева). Гексахлориридит (III) аммония растворим в воде и хлоридомаммония не осаждается. Осадок гексахлорплатината аммония отфильтровывают, промывают, высушивают и прокаливают. Полученную платиновую губку спрессовывают, а затем сплавляют вкислородо-водородном пламени или в электрической высокочастотной печи. Из фильтра от гексахлорплатината аммония извлекают палладий, родий ииридий; из сплава иридия выделяют иридий, осмий и рутений. Необходимые для этого химические операции очень сложны. В настоящее время главным источником получения платиновых металлов служат сульфидные медно-никелевые руды. В результате их сложной переработки выплавляют так называемые «черновые» металлы - загрязненные никель и медь. При их электролитическом рафинировании благородные металлы накапливаются в виде анодного шлама, который направляют на аффинаж.

Значительным источником рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий) где его содержание в отработанных ТВЭЛах достигает 250 граммов на тонну «сгоревшего» ядерного топлива.

Физические свойства рутения

По тугоплавкости (Тпл 2250 °C) рутений уступает лишь нескольким элементам - рению, осмию, вольфраму.

Наиболее ценные свойства Рутения - тугоплавкость, твердость, химическая стойкость, способность ускорять некоторые химические реакции. Наиболее характерны соединения с валентностью 3+, 4+ и 8+. Склонен к образованию комплексных соединений. Применяется как катализатор, в сплавах с платиновыми металлами, как материал для острых наконечников, для контактов, электродов и в ювелирном деле.

Химические свойства рутения

Рутений и осмий хрупки и очень тверды. При действии кислорода и сильных окислителей они образуют оксиды RuO4 и OsO4. Это легкоплавкие желтые кристаллы. Пары обоих соединений имеют резкий, неприятный запах и очень ядовиты. Оба соединения легко отдают кислород, восстанавливаясь до RuO2 иOsO2 или до металлов. Со щелочами RuO4 дает соли (рутенаты): 2Ru04 + 4КОН = 2K2RuO4 + 2Н2O + О2

Применение рутения

• Небольшая добавка рутения (0,1 %) увеличивает коррозионную стойкость титана.
• В сплаве с платиной используется для изготовления чрезвычайно износостойких электрических контактов.
• Катализатор для многих химических реакций. Очень важное место рутения как катализатора в системах очистки воды орбитальных станций.

Уникальна также способность рутения к каталитическому связыванию атмосферного азота при комнатной температуре.

Рутений и его сплавы находят применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов в аэрокосмической технике, и до 1500 °C по прочности превосходят лучшие сплавы молибдена и вольфрама (имея преимущество так же в высокой стойкости к окислению).

В последние годы широко изучается оксид рутения как материал для производства суперконденсаторов электроэнергии, удельная электрическая ёмкость свыше 700 Фарад/грамм.

Применение рутения для выращивания графена

Исследователи из Brookhaven National Laboratory (США) показали, что при эпитаксиальном росте графена на поверхности Ru(0001) формируются макроскопические графеновые области. При этом рост протекает послойно, и, хотя первый слой сильно связан с подложкой, второй практически с ней не взаимодействует и сохраняет все уникальные свойства графена.

Синтез основан на том, что растворимость углерода в рутении сильно зависит от температуры. При 1150 °С рутений насыщается углеродом, а при снижении температуры до 825 °С углерод выходит на поверхность, в результате чего формируются островки графена размером более 100 мкм. Островки разрастаются и объединяются, после чего начинается рост второго слоя.

Ru
↓
Os

История

Происхождение названия

Получение

Рутений получают как «отходы» при аффинировании платины и платиновых металлов.

Значительным источником рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний , уран , торий), где его содержание в отработанных ТВЭЛах достигает 250 граммов на тонну отработанного ядерного топлива.

Также разработана технология получения рутения из технеция-99 с помощью нейтронного облучения молибдена .

Добыча, запасы и цена

Физические и химические свойства

Изотопный состав

Природный рутений состоит из семи стабильных изотопов :

96 Ru (5,7 % по массе), 98 Ru (2,2 %), 99 Ru (12,8 %), 100 Ru (12,7 %), 101 Ru (13 %), 102 Ru (31,3 %) и 104 Ru (18,3 %).

Физические свойства

По тугоплавкости (Т пл = 2334 °C ) рутений уступает лишь нескольким элементам - рению , осмию , молибдену , иридию , вольфраму , танталу и ниобию .

Химические свойства

Рутений - весьма инертный металл.

Неорганические соединения

Органическая химия рутения

Рутений образует ряд металлоорганических соединений и является активным катализатором .

Применение

• Небольшая добавка рутения (0,1 %) увеличивает коррозионную стойкость титана .
• В сплаве с платиной используется для изготовления чрезвычайно износостойких электрических контактов.
• Диоксид рутения и рутенаты висмута используются в толстоплёночных резисторах. Эти два применения в электронике потребляют порядка 50 % производимого рутения.
• Катализатор для многих химических реакций. Очень важное место рутения как катализатора в системах очистки воды орбитальных станций.
• Рутений красный en применяется как конкурентный антагонист для исследования ионных каналов (CatSper1, TASK,RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6,TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1).

Уникальна также способность рутения к каталитическому связыванию атмосферного азота при комнатной температуре. Открытие, сделанное экспериментальным путём исследователями из университета Миннесоты в 2018 году, демонстрирует то, что химический элемент рутений является четвёртым химическим элементом, обладающим уникальными магнитными свойствами при комнатной температуре. До последнего времени людям были известны лишь три стабильных магнитных элемента, железо (Fe), кобальт (Cо), никель (Ni) и, отчасти, гадолиний (Gd), который теряет магнитные свойства при температуре выше 8 градусов Цельсия. Обнаружение нового магнитного материала может привести к разработке новых типов датчиков, устройств хранения, обработки информации и массы других электронных и электромеханических устройств. Помимо традиционных технологий, в которых используются магнитные свойства материалов, появление нового магнитного материала может сыграть важную роль для дальнейшего развития ряда новых направлений, таких, как спинтроника . Этому будет благоприятствовать то, что технологии выращивания тонких плёнок и создания наноструктур уже дошли до того уровня, который позволяет производить материалы, имеющие уникальные свойства, которыми не обладают эти же материалы естественного происхождения .

Рутений и его сплавы находят применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов в аэрокосмической технике, и до 1500 °C по прочности превосходят лучшие сплавы молибдена и вольфрама (имея преимущество также в высокой стойкости к окислению).

Физиологическое действие и биологическая роль

Рутений, по всей видимости, является микроэлементом. Он является единственным платиновым металлом , который обнаруживается в составе живых организмов (по некоторым данным - ещё и платина). Концентрируется в основном в мышечной ткани.

Для начала несколько фактов, характеризующих особое положение рутения среди всех химических элементов.

Рутений – один из аналогов платины. Он самый легкий и, если можно так выразиться, самый «неблагородный» из платиновых металлов.

Рутений – самый «многовалентный» элемент: он может существовать по крайней мере в девяти валентных состояниях.

Рутений – первый элемент, который позволял связать азот воздуха в химическое соединение (комплексное соединение рутения), подобно тому как это делают некоторые бактерии. Еще в 1962 г. одному из авторов этой статьи удалось получить комплексное соединение рутения с молекулярным азотом. Состав этого комплекса [(NO)(NH 3) 4 RuN 2 ,Ru(NH 3) 4 (NO)]Cl 6 . В 1965 г. канадский ученый Альберт Аллен получил более простое соединение (тоже комплексное) Cl 2 .

Рутений образуется при работе ядерных реакторов и при взрыве атомных бомб. Это один из наиболее неприятных осколочных элементов.

Рутений – элемент, открытый в нашей стране в 1844 г. и названный в честь нашей страны. Ruthenia – по-латыни Россия. Автором открытия был профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус.

Рутений ставит сегодня перед химиками как минимум три проблемы. О них и будет рассказано в этой статье.

Проблема №1: как избавиться от рутения

У рутения немало ценных и интересных свойств. По многим механическим, электрическим и химическим характеристикам он может соперничать со многими металлами и даже с платиной и золотом. Однако в отличие от этих металлов рутений очень хрупок, и поэтому изготовить из него какие-либо изделия пока не удается. По-видимому, хрупкость и неподатливость рутения механической обработке объясняются недостаточной чистотой образцов, подвергаемых испытаниям. Физические свойства этого металла очень сильно зависят от способа получения, а выделить рутений высокой чистоты пока еще не удалось никому. Попытки получить чистый рутений спеканием в брикетах, зонной плавкой и другими методами не привели к положительным результатам. По этой причине до сих пор точно не установлены такие технически важные характеристики, как предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве. Лишь недавно точно определена температура плавления рутения – 2250°C, а точка его кипения лежит где-то в районе 4900°C. Металлический рутений очень активно сорбирует водород. Обычно эталоном водородного сорбента считается палладий, кубический сантиметр которого поглощает 940 см 3 водорода. Поглотительная способность рутения выше. Он сорбирует 1500 объемов водорода.

Еще одно немаловажное свойство рутения: прп температуре 0,47°К он становится сверхпроводником.

Компактный металлический рутений не растворяется в щелочах, кислотах и даже в кипящей царской водке, но частично растворяется в азотной кислоте с добавками сильных окислителей – перхлоратов или броматов. Рутений можно растворить в щелочной среде гипохлоритами или в кислой среде электрохимическим методом.

При нагревании на воздухе рутений начинает частично окисляться. Максимальная скорость окисления наблюдается при 800°C. До температуры 1000°C рутений всегда окисляется только в двуокись RuО 2 , но если нагревать его до 1200°C и выше, он начинает превращаться в летучую четырехокись RuO 4 , проявляя высшую валентность 8+.

RuO 4 – очень интересное соединение. В обычных условиях это золотисто-желтые иглообразные кристаллы, которые уже при 25°C плавятся, превращаясь в коричнево-оранжевую жидкость со специфическим запахом, похожим на запах озона. При соприкосновении с малейшими следами большинства органических веществ четырехокись рутения моментально взрывается. В то же время она хорошо растворяется в хлороформе и четыреххлористом углероде. RuO 4 ядовита: при длительном вдыхании ее паров у человека начинает кружиться голова, бывают приступы рвоты и удушья. У некоторых химиков, работавших с четырехокисью рутения, развивалась экзема.

Способность рутения к образованию четырехокиси сыграла существенную роль в химии этого элемента. Путем перевода в летучую RuO 4 удается отделить рутений от других благородных и неблагородных металлов и после ее восстановления получить наиболее чистый рутений. Этим же способом удаляют из родия, иридия и платины примеси рутения.

Но не металлургия сделала проблему борьбы с рутением столь актуальной. Проблема №1 поставлена перед учеными атомной техникой.

Радиоактивные изотопы рутения в природе не существуют, но они образуются в результате деления ядер урана и плутония в реакторах атомных электростанций, подводных лодок, кораблей, при взрывах атомных бомб. Большинство радиоактивных изотопов рутения недолговечны, но два – рутений-103 и рутений-106 – имеют достаточно большие периоды полураспада (39,8 суток и 1,01 года) и накапливаются в реакторах. Знаменательно, что при распаде плутония изотопы рутения составляют до 30% общей массы всех осколков деления. С теоретической точки зрения этот факт безусловно интересен. В нем даже есть особая «изюминка»: осуществилась мечта алхимиков – неблагородный металл превратился в благородный. Действительно, в наши дни предприятия по производству плутония выбрасывают десятки килограммов благородного металла рутения. Но практический вред, наносимый этим процессом атомной технике, не окупился бы даже в том случае, если бы удалось применить с пользой весь рутений, полученный в ядерных реакторах.

Чем же так вреден рутений?

Одно из главных достоинств ядерного горючего – его воспроизводимость. Как известно, при «сжигании» урановых блоков в ядерных реакторах образуется новое ядерное горючее – плутоний. Одновременно образуется и «зола» – осколки деления ядер урана, в том числе и изотопы рутения. Золу, естественно, приходится удалять. Мало того, что ядра осколочных элементов захватывают нейтроны и обрывают цепную реакцию, они еще создают уровни радиации, значительно превышающие допустимые. Основную массу осколков отделить от урана и плутония относительно легко, что и делается на специальных заводах, а вот радиоактивный рутений доставляет много неприятностей.

Плутоний, неизрасходованный уран и осколки разделяют на специальных установках. Первая стадия разделения – растворение урановых блоков в азотной кислоте. Здесь и начинаются неприятности с рутением. При растворении часть его превращается в комплексные нитрозосоединения, в основе которых трехвалентная группировка (RuNO) 3+ . Эта группировка образует в азотной кислоте комплексные соединения всевозможного состава. Они взаимодействуют между собой или с другими ионами, находящимися в растворе, гидролизуются или даже объединяются в неорганические полимерные молекулы. Комплексы совершенно разные, но разделить и идентифицировать их очень трудно. Бесконечное разнообразие свойств нитрозосоединений рутения ставит перед химиками и технологами множество сложнейших вопросов.

Существует несколько методов отделения осколков от плутония и урана. Один из них ионообменный. Раствор, содержащий различные ионы, проходит через систему ионообменных аппаратов. Смысл этой операции состоит в том, что уран и плутоний задерживаются ионитами в аппаратах, а прочие элементы свободно проходят через всю систему. Однако рутений уходит лишь частично. Часть его остается на ионообменнике вместе с ураном.

В другом методе – осадительном – уран переводится в осадок специальными реактивами, а осколки остаются в растворе. Но вместе с ураном в осадок переходит и часть рутения.

При очистке методом экстракции уран извлекается из водного раствора органическими растворителями, например эфирами фосфорорганических кислот. Осколки остаются в водной фазе, но не все – рутений частично переходит в органическую фазу вместе с ураном.

Трудностей очистки ядерного горючего от рутения пытались избежать, применяя сухие методы, исключающие растворение урановых блоков. Вместо азотной кислоты их обрабатывали фтором. Предполагалось, что уран при этом перейдет в летучий гексафторид и отделится от нелетучих фторидов осколочных элементов. Но рутений и тут остался верен себе. Оказалось, он тоже образует летучие фториды.

Трудности с рутением преследуют технологов и на следующих стадиях работы с делящимися материалами. При улавливании осколков из сбросных растворов большую часть посторонних элементов удается перевести в осадок, а рутений опять-таки частично остается в растворе. Не гарантирует его удаление и биологическая очистка, когда сбросные растворы сливают в специальные бессточные водоемы.

Рутений начинает постепенно мигрировать в грунт, создавая опасность радиоактивного загрязнения на больших расстояниях от водоема. То же самое происходит при захоронении осколков в шахтах на большой глубине. Радиоактивный рутений, обладающий (в виде растворимых в воде нитрозосоединений) чрезвычайной подвижностью, или, правильнее сказать, миграционной способностью, может уйти с грунтовыми водами очень далеко.

Проблема очистки – дезактивация оборудования, одежды и т.д. – от радиорутения также имеет свою специфику. В зависимости от того, в каком химическом состоянии находился рутений, его либо удается легко отмыть и удалить, либо он дезактивируется с большим трудом.

Борьбе с радиоактивным рутением уделяют много внимания физики, химики, технологи и особенно радиохимики многих стран. На I и II Международных конференциях по мирному использованию атомной энергии в Женеве этой проблеме было посвящено несколько докладов. Однако до сих пор нет оснований считать борьбу с рутением оконченной успешно, и, видимо, химикам придется еще немало поработать для того, чтобы эту проблему можно было перевести в категорию окончательно решенных.

Проблема №2: дальнейшее изучение химии рутения и его соединений

Необычайная актуальность проблемы №1 заставляет исследователей все глубже проникать в химию рутения и его соединений. Открытие радиорутения в продуктах деления ядерного горючего послужило мощным толчком для многочисленных работ по химии рутения, сделало его объектом пристального внимания. Раньше им занимались не так уже много.

В 1844 г. профессор химии Казанского университета Карл Карлович Клаус получил из сырой платины 6 г неизвестного серебристо-белого металла, определил его атомную массу, основные физико-химические константы и отдельные свойства некоторых его соединений. Рутений стал 57-м элементом, известным химикам.

Разработкой отдельных вопросов химии рутения в различные годы занимались многие известные химики: Берцелиус, Сент-Клер Девиль, Дебрэ, Реми, Вернер и др. Было установлено, что по некоторым химическим свойствам рутений близок к железу, а по другим – к родию и особенно к осмию, что он может проявлять несколько валентностей, что устойчивый окисел рутения имеет формулу RuО 2 .

Рутений – редкий и очень рассеянный элемент. Известен единственный минерал, который он образует в естественных условиях. Это лаурит RuS 2 – очень твердое тяжелое вещество черного цвета, встречающееся в природе крайне редко. В некоторых других природных соединениях рутений – всего лишь изоморфная примесь, количество которой, как правило, не превышает десятых долей процента. Небольшие примеси соединений рутения были обнаружены в медно-никелевых рудах канадского месторождения Седбери, а потом и на других рудниках.

Академик А.Е. Ферсман нашел следы рутения в изверженных кислых породах и многих минералах. Однако вопрос о рассеянии рутения при разрушении горных пород и его дальнейшей судьбе до сих пор до конца не изучен. Его решение осложняется тем, что рутений, с одной стороны, дает труднорастворимые окислы, которые накапливаются в остатках горных пород, а с другой стороны, минеральные и поверхностные воды растворяют часть рутения, он переходит в раствор и рассеивается. Сильные адсорбенты и биохимические агенты могут вновь концентрировать рутений из растворов. Так, повышенные концентрации рутения обнаружены в минерале пиролюзите MnO 2 . Способностью накапливать этот элемент обладают также некоторые виды растений, в частности он концентрируется в корнях бобовых.

Одно из самых замечательных химических свойств рутения – его многочисленные валентные состояния. Легкость перехода рутения из одного валентного состояния в другое и обилие этих состояний приводят к чрезвычайной сложности и своеобразию химии рутения, которая до сих пор изобилует множеством белых пятен.

Посмотрите, как многочисленны соединения рутения, представленные ниже, сколько среди них сложных и еще мало изученных соединений (символом М обозначены одновалентные металлы).

Очень немногие ученые систематически занимались химией рутения. Некоторые из них опубликовали по одной-две работы и занялись другими элементами, а иные, не в силах справиться с лавиной постоянно возникающих новых и новых вопросов, оставляли свои работы по рутению даже не доведенными дэ конца. Именно по этой причине мы считаем себя обязанными упомянуть в этой статье имя очень рано умершего советского ученого Сергея Михайловича Старостина, который всю свою жизнь посвятил изучению химии рутения и его соединений. Это он установил, что огромные трудности, возникающие при отделении рутения от плутония и урана, связаны с образованием и свойствами нитрозокомплексов рутения.

Но вернемся к многочисленным валентностям рутения. Ознакомившись с его соединениями, вы встретились с девятью валентностями – от нуля до восьми. Казалось бы, куда больше! Но это еще не все. Рутений способен и к образованию соединений с кратными связями, в создании которых участвует не одна, а несколько пар электронов. Помимо ковалентных связей, образующихся благодаря спариванию свободного электрона рутения с электроном любого другого атома, этот элемент может образовывать и более сложные – дативные и донорно-акцепторные связи. Например, установлено, что в соединении K 4 (Ru 2 ОCl 10) · H 2 O связь Ru ↔ O ↔ Ru (2 · 1,8 Å) кратная. Она более короткая и прочная, чем одинарная Ru – О.

В образавании нитрозосоединений рутения участвуют связи всех трех видов. Присутствие в этих соединениях нитрозогруппы приводит к образованию рутением очень устойчивой 18-электронной конфигурации инертного газа криптона, что объясняет необычайно высокую химическую и термическую стойкость нитрозокомплексов рутения – соединений, представляющих наибольший интерес для атомной техники. Валентность рутения в его нитрозокомплексах следует считать равной четырем; это наиболее устойчивая валентная форма рутения.

Помимо всего прочего, рутений может образовывать длинноцепочечные полимерные молекулы. Для него характерно образование цепей, аналогичных силиконовым: – Ru – О – Ru – O – Ru – O –. Кроме того, доказано существование полимерных соединений, построенных так:

Некоторые ученые предполагают, что удастся выделить и неорганические полимеры на основе нитрозокомплексов рутения.

Несколько десятилетий назад комплексные соединения рутения сослужили теории химии важную службу, став прекрасной моделью, с помощью которой Вернер создал свою знаменитую координационную теорию. Возможно, полимерные соединения рутения послужат моделью и для создания теории неорганических полимеров.

Проблема №3: получение и использование рутения

Несмотря на малую распространенность в природе и ограниченные масштабы добычи рутения, этот элемент никак не назовешь безработным.

Рутений – самый неблагородный из платиновых металлов, однако ему присуще большинство их свойств. Более того, он обладает и рядом специфических свойств. С каждым годом все более расширяются области применения рутения. В связи с этим возникает проблема №3, диаметрально противоположная проблеме №1, – как увеличить производство рутения, найти новые, более эффективные способы его извлечения из полупродуктов медноникелевого производства, где этот элемент присутствует совместно с другими благородными и неблагородными металлами. В данном случае на повестку дня вновь встает проблема №2. Действительно, чтобы эффективно извлекать рутений, нужно хорошо знать химию его соединений, особенности поведения в растворах и различных процессах. Используя электрохимические методы, экстракцию и осаждение, научились выделять и отделять рутенпй от всех сопутствующих элементов.

Где же используется рутений и каковы перспективы его применения?

Рутений, так же как платина и палладий, обладает каталитическими свойствами, но часто отличается от них большей селективностью и избирательностью. В гетерогенном катализе используются металлический рутений и его сплавы. Наиболее эффективные катализаторы получаются при нанесении рутения на различные носители с сильно развитыми поверхностями. Во многих случаях его применяют вместе с платиной для того, чтобы увеличить ее каталитическую активность. Сплав родия, рутения и платины ускоряет окисление аммиака в производстве азотной кислоты. Рутений применяют для синтеза синильной кислоты из аммиака и метана, для получения предельных углеводородов из водорода и окиси углерода. За границей запатентован способ полимеризации этилена на рутениевом катализаторе.

Важное значение приобрели рутениевые катализаторы для реакции получения глицерина и других многоатомных спиртов из целлюлозы путем ее гидрирования. Известный советский ученый академик А.А. Баландин и его сотрудники с помощью рутения сумели превратить в ценные химические продукты древесные опилки, кукурузные кочерыжки, шелуху от семян подсолнуха и коробочки хлопчатника. В печати промелькнуло сообщение о том, что рутениевый катализатор был успешно применен при синтезе алмазов.

Металлорганические соединения рутения находят применение в гомогенном катализе для различных реакций гидрирования, причем по селективности и каталитической активности они не уступают признанным катализаторам на основе родия.

Главное достоинство рутения-катализатора в его высокой избирательной способности. Именно она позволяет химикам использовать рутений для синтеза самых разнообразных органических и неорганических продуктов. Рутений-катализатор начинает всерьез конкурировать с платиной, иридием и родием.

Несколько меньше возможности элемента №44 в металлургии, но его применяют и в этой отрасли. Небольшие добавки рутения обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава. Чаще всего его вводят в металлы, из которых изготовляют контакты для электротехники и радиоаппаратуры. Сплав рутения с платиной нашел применение в топливных элементах некоторых американских искусственных спутников Земли. Сплавы рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием обладают сверхпроводимостью. Термопары, изготовленные из сплава иридия с рутением, позволяют измерять самые высокие температуры.

Многого можно ожидать и от использования рутениевых покрытий, нанесенных в виде тонкого слоя (пленки) на различные материалы и изделия. Подобная пленка существенно изменяет свойства и качество изделий, повышает их химическую и механическую стойкость, делает их коррозионно-устойчивыми, резко улучшает электрические свойства и т.д. Тонкие покрытия из благородных металлов, и в том числе из рутения, в последние годы приобретают все большее значение в различных областях электроники, радио- и электротехники, химической промышленности, а также в ювелирном деле.

Интересное свойство металлического рутения – сорбировать и пропускать водород – с успехом может быть использовано для извлечения водорода из смеси газов и получения сверхчистого водорода.

Полезными свойствами обладают многие соединения рутения. Некоторые из них используют в качестве добавок в стекла и эмали как стойкие красители; хлориды рутения, например, увеличивают люминесценцию люминола, полиамины рутения обладают флюоресцирующими свойствами, соль Na 2 · 2H 2 O является пьезоэлектриком, RuО 4 – сильнейший окислитель. Многие соединения рутения обладают биологической активностью. В одних случаях они вызывают аллергические реакции и экземы, но описаны случаи, когда их используют для лечения кожных заболеваний и рака. Высказано предположение, что в живой природе соединения рутения служат катализаторами в процессах связывания молекулярного азота воздуха в аминокислоты.

И наконец, говоря о применении рутения, нельзя не упомянуть об использовании его радиоактивных изотопов в научных исследованиях, особенно при решении спорных вопросов химии самого рутения. Здесь элемент №44 в конечном счете борется сам с собой и для себя. Ведь и путь к окончательному решению проблемы очистки ядерного горючего от радиорутения, и разработка способов эффективного извлечения рутения из руд проходят через углубленное познание свойств и особенностей этого сложного и необычного элемента.

«Вечное» перо

Перья авторучек постоянно трутся о бумагу и оттого стачиваются. Чтобы сделать перо действительно «вечным», на кончике его делают напайку. В состав некоторых сплавов для напайки «вечных» перьев входит рутений. Кроме него, в этих сплавах содержатся вольфрам, кобальт, бор.

Рутений применяют также при изготовлении сплавов для опор компасных игл. Эти сплавы должны быть твердыми, прочными и упругими. Из природных минералов такими свойствами обладает очень редкий осмистый иридий. В искусственные же материалы для компасных игл вместе с осмием и иридием, а иногда и другими металлами, входит элемент №44 – рутений.

Есть контакт!

В электротехнике для контактов издавна используется медь. Она – идеальный материал при передаче сильных токов. Что из того, что через определенное время контакты покрываются окисью меди? Их можно протереть шкуркой и они вновь заблестят, как повенькие. Иное дело в слаботочной технике. Здесь любая окисная пленка на контакте может нарушить работу всей системы. Поэтому контакты для слабых токов делают из палладия или серебряно-палладиевого сплава. Но эти материалы не обладают достаточной механической прочностью. Добавка к сплавам небольших количеств рутения (1...5%) придает контактам твердость и прочность. То же относится и к скользящим контактам, которые должны хорошо противостоять истиранию.

Рутениевая красная

Так называется неорганический краситель, представляющий собой комплексный аммиачный хлорид рутения. Предложено несколько формул этого вещества, но ни одна из них не отражает его состава в точности. Для окраски тканей этот краситель не используют – он слишком дорог. Рутениевую красную применяют при исследованиях в анатомии и гистологии (науке о живых тканях). Раствор этого красителя при разбавлении 1:5000 окрашивает в розовые и красные тона пектиновые вещества и некоторые ткани. Благодаря этому исследователь получает возможность отличить эти вещества от других и лучше проанализировать рассматриваемый под микроскопом срез.

Русский металл. Имя рутения не случайно созвучно с названием страны. 44-ый элемент таблицы Менделеева впервые обнаружен в Уральских горах. В 20-ых годах 19-го века там нашли .

Изучением образцов занялся Озаин – профессор Юрьевского университета. Он-то и обнаружил в слитках платины новый металл, дав ему латинское название.

На древнем языке Рутения означает Россия. В Академии наук об открытии сообщили в 1844-ом году. С тех пор минуло почти 2 столетия. Этого было достаточно, чтобы досконально изучить рутений .

Химические и физические свойства рутения

Будучи платиноидом, элемент рутений считается благородным. Драгоценный металл красив и тверд. Если золоту да серебру по дают 4 балла, то рутению – 6,5. То есть, твердость элемента приближена к кварцу, представителями которого являются камни аметист, горный хрусталь, раухтопаз.

Твердость рутения сочетается с хрупкостью. металла легко толкутся в ступке, рассыпаясь в порошок. Разобьются агрегаты и при ударе, падении с высоты. Ускорение у такого падения не будет большим, ведь из всех платиноидов рутений самый легкий . Плотность металла составляет меньше 13-ти граммов на кубический сантиметр.

Плохо противостоя ударам, рутений отлично сопротивляется нагреву. Плавится металл при температуре в 2334-ре градуса Цельсия. Жидкость – не единственный итог нагрева.

Если воздействовать электрической дугой, или раскалить элемент на воздухе, он перейдет в газообразное состояние. Ему предшествует четырехокись рутения. Золотистые иглы быстро тают, издавая запах озона.

Если четырехокись преобразуется в жидкость, а не газ, любой контакт с органикой приведет к взрыву. Промышленники часто провоцируют его, ведь характер соединения позволяет выделить абсолютно чистый рутений .

Оксид рутения образуется при температуре не ниже 930-ти градусов. Это доказывает благородство металла. Он не покрывается налетом, не подвержен коррозии. Элемент, вообще, считается инертным.

В реакции вступает лишь в нестандартных условиях. В обычной же обстановке платиноид нерастворим даже в царской водке. Материал не берут не только отдельные кислоты и щелочи, но и их смеси.

С другими металлами 44-ый элемент взаимодействует при нагреве минимум до 400-от градусов Цельсия. При этих же условиях запускается реакция с хлором, нитратами и щелочами.

Рутений – химический элемент , способный быть катализатором. То есть, металл ускоряет или же замедляет реакции между другими веществами. Правда, из-за инертности, каталитические свойства элемента проявляются избирательно. Способность же становиться сверхпроводником – постоянное качество рутения . Нулевое сопротивление току – результат нагрева материала.

Предметом изучения химиков часто становится пара рутений-осмий . Интересно, так же, сравнение с родием и железом. На эти металлы 44-ый элемент похож по свойствам. Но, одна способность рутения делает его уникальным.

Платиноид может находиться сразу в 8-ми валентностях, постоянно их менять. Валентность – способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами. Получается, рутений способен присоединить от 1-го до 8-ми.

Применение рутения

У металла яркий и приятный голубовато-серый тон. Элемент благороден и не окисляется. Это привлекает . Однако, изделий из чистого рутения нет. Во-первых, элемент дефицитен, кроме России найден лишь на острове Борнео.

Во-вторых, платиноид хрупок, поэтому используется лишь в качестве драгоценных . Они становятся более твердыми и износостойкими. Добавка присутствует, как правило, лишь в платиновых сплавах и лишь в изделиях известных брендов.

Причина – дороговизна рутения и сложность работы с ним из-за особой тугоплавкости. Зато, всего 0,1% 44-го элемента повышает стойкость к коррозии титановых украшений, прибавляет 1 балл прочности или платине.

Рутений – добавка, способная придать черный цвет. Нестандартно окрашенный сплав – писк моды. Затемняют золото и родием, но оттенок получается не столь насыщенным, как в случае с лигатурой из рутения. Любители дорогого шика готовы переплачивать за необычные украшения.

Красителями рутений, точнее, его соединения, стали так же в стекольной промышленности. Составы с 44-ым металлом добавляют и в некоторые элитные эмали. Есть даже флуоресцирующие покрытия. Своим свечением они обязаны как раз соединениям 44-го элемента.

Один из красителей взяла на вооружение медицина. Рутениевый красный способен выделить ткани, при их изучении, к примеру, под микроскопом. Последняя разработка – окрашивание опухолей. Это позволяет хирургам видеть каждую пораженную клетку.

Медики применяют рутений не только в качестве средства выявления пораженных тканей, но и в роли лекарства. Препараты на основе 44-го элемента разработаны для борьбы с туберкулезом и многими инфекциями, поражающими кожу.

Без рутения не обходится космическая отрасль. Топливные элементы спутников Земли в прямом смысле драгоценны. Они состоят из сплава 44-го металла с платиной.

Лишь такой состав по тугоплавкости способен выдерживать нагрузки на орбите. Стойкость рутения к нагреву сделала его, так же, сырьем для термопар. Их используют при замерах высоких температур.

В электронике используется чистая формула рутения . Металл наносят тонким слоем в качестве антикоррозийного покрытия, к примеру, на . Напыление делает их, так же, химически неуязвимыми и снижает механический износ.

Добыча рутения

Мировые запасы металл оценены всего в 5000 тонн. При этом, рутений – отход. Имеется в виду, что элемент не добывают отдельно, а выделяют из остатков платинового производства.

Выделяют 44-ый металл и из осколков деления ядерных материалов. В их числе – плутоний, торий, уран. В остатках сгоревшего ядерного топлива можно найти 250 граммов рутения на каждую тонну.

На фото браслет из сплава, в состав которого входит рутений

Если прибегнуть к нейтронному облучению, 44-ый элемент удается добыть из технеция-99. Это один из ядерных изомеров металла. Как сырье для извлечения рутения используется редко, поскольку и сам пригождается человечеству. 99-ый технеций называют медицинским радиоизотопом. Он – основа многих процедур диагностики.

Цена рутения

В январе 2016-го года за грамм рутения просят около 115-ти рублей. Это данные с бирж цветных металлов, в частности, Лондонской биржи. Получается, 44-ый элемент дороже , но дешевле других драгоценных металлов. Так, за грамм золота приходится выложить более 2700-от рублей. Осмий стоит 1000. на 300 рублей больше.

Пик цен на рутений пришелся на 2008-ой год. Тогда за 1 грамм просили более 800-от рублей. То есть, за 4-ре предшествующих года запросы продавцов выросли в 25 раз. Выборка сделана за последние 20 лет торгов. Практически до 300-от рублей ценник доходил в 2010-ом году.

В остальное время стоимость драгоценного сырья так и колебалась в районе 100-200-от рублей. Тем не менее, материал входит в 10-ку самых дорогих металлов, занимая в ней то 8-ю, то 9-ю позиции. Если учесть, что покупают элемент, в основном, промышленники, объемы их заказов исчисляются далеко не граммами, и далеко не сотнями рублей.

Рутений (по содержанию в платиновых рудах) является наиболее редким среди платиновых металлов. Он был открыт казанским профессором Клаусом, который в 1844 году в остатках уральской платиновой руды нашел новый элемент, который назвал рутением (от позднелатинского Ruthenia - Россия). Клаус получил рутений в чистом виде, изучил его химические свойства, определил атомный вес и указал на сходство между триадами рутений - родий - палладий и осмий - иридий - платина.
Рутений - спутник платины. Содержится он главным образом в осмиридии - остатке после разделение платиновых руд царской водкой. Очень редко он встречается и в виде самостоятельного минерала - лаурита, сульфида рутения RuS 2 , содержащего осмий.

Получение:

Остатки от аффинажа платины или электрорафинирования меди переводят в (NH 4) 2 , который прокаливают до RuO 2 , последний восстанавливают водородом.
В коллоидном состоянии рутений можно получать восстановлением его солей гидразином в присутствии гуммиарабика или акролеином.
В настоящее время источником рутения может служить и отработанное топливо атомных электростанций, т.к он является одним из продуктов деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий).

Физические свойства:

Рутений в зависимости от способа его получения является матово-серым или серебристо-белым блестящим металлом, обладающим чрезвычайно большой твердостью; при этом он настолько хрупок, что его можно легко растереть в порошок. Он очень тугоплавок и плавиться при значительно более высокой температуре, чем платина. В электрической дуге при плавлении Ru одновременно испаряется. Он переходит в газовую фазу также при сильном прокаливании на воздухе, но в этом случаи летит не металл, а четыреокись, устойчивая при очень высоких температурах.

Химические свойства:

В отсутствии кислорода воздуха на рутений не действует ни одна кислота, даже царская водка. Однако содержащая воздух соляная кислота медленно растворяет его при обычной температуре, а при 125° (в запаянной трубке) даже довольно быстро. При нагревании на воздухе рутений чернеет вследствие поверхностного окисления. Фтор действует на порошкообразный рутений уже ниже температуры красного каления, а хлор - при красном калении. С серой порошкообразный рутений реагирует лишь при соблюдении особых условий. С фосфором он образует соединение RuP 2 и RuP и Ru 2 P; с мышьяком, так же как платина, рутений дает диарсенид RuAs 2 . Щелочи в присутствии кислорода или веществ, легко отдающих кислород, например, смеси KOH с KNO 3 или K 2 CO 3 с KCIO 3 , а также перекисей, например Na 2 O 2 или BaO 2 , при высокой температуре энергично действуют на рутений, образуя с ним рутенаты(VI) M 1 2 RuO 4 . Tс 2 О 7 .

Важнейшие соединения:

Двуокись рутения RuO 2 получается в виде сине-черного порошка при нагревании порошкообразного рутения, хлорида или сульфида его в токе кислорода. Водородом при невысокой температуре RuO 2 восстанавливается, при очень высоких температурах RuO 2 начинает разлагаться на рутений и кислород.
Четырехокись рутения RuO 4 получается при пропускании хлора через раствор рутенатов щелочных металлов или при добавлении избытка щелочи к растворам солей рутения; она образует жёлтые иглы, плавящиеся при 25° в оранжевую жидкость. При нагревании, около 108°, RuO 4 c сильным взрывом разлагается на RuO 2 и O 2 . Четырехокись рутения чрезвычайно энергично реагирует с органическими веществами, реакция её со спиртом происходит с взрывом.
Пентакарбонил рутения Ru(СO) 5 летучая жидкость, на воздухе воспламеняется. Применяется для нанесения покрытий Ru на стекло, керамику, металлы.
Комплексные соединения рутения весьма многочисленны. В том числе он может образовывать в них связь даже с таким необычным лигандом, как молекулярный азот, образуя, например, соединение Cl 2 .

Применение:

Производство катализаторов, декоративных и защитных покрытий, сплавов. Небольшие добавки рутения обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава, что ценно для производства износостойких электрических контактов.
Годовая добыча рутения в 2009 г. оценивалась примерно в 18 т.

Г. Елфимова

См. также:
Федоренко Н.В. К.К.Клаус: открытие рутения. Химия в школе, 1977, №4
Шульчус A. Несколько историй открытия рутения.Химия в школе, 2010, №9 стр.79