Опубликовано Оставить комментарий

Рутений как химический элемент таблицы Менделеева

Рутений является химическим элементом периодической таблицы Менделеева с атомным номером 44 и условным обозначением Ru. Рутений представляет собой редкий серебристо-белый переходный металл.

Как был открыт Рутений

История открытия рутения начинается с давних времен. Платиновые руды, содержащие все шесть металлов платиновой группы, были известны еще во времена до открытия Колумбом американского континента. Тот факт, что природная платина содержит примеси палладия, родия, осмия и иридия был известен еще в начале XIX века.

Платина в 18 веке добывалась на аллювийных песках рек Российской Империи и применялась в пластинах и медалях, а так же для чеканки рублевых монет. Так вот остатки платины от чеканки монет из платины добытой на Урале отправлялись на исследования. Исследования проходили преимущественно на территории Восточной Европы.

В 1819 году исследованием этих руд занялись Йонс Якоб Берцелиус и Готфрид Осанн. В 1828 году Готфрид Осанн получил неизвестный белый оксид, свойства которого не соответствовали ни одному известному на тот момент оксиду. После восстановления получился неизвестный метал золотисто-желтого цвета. Осанн назвал новый химический элемент Рутений в честь страны России. С тех пор в принципе и пошла мода на название элемента в честь страны в которой он был найден. Проблема заключалась в том, что Берцелиус не сумел повторить опыт Осанна. Даже спустя время сам Осанн не смог повторить свой опыт и отказался от данного открытия.

Карл Эрнст Клаус — человек открывший рутений
Карл Эрнст Клаус — человек открывший рутений

В 1841 году профессор Казанского университета немецко-балтийского происхождения Карл Клаус занялся повторением опытов по выделению металлов из платиновых руд. Уже в 1844 году Карл Клаус обнаруживает рутений среди выделенных металлов. Научная статья посвященная этому химическому элементу выпущена русским ученым в этом же году. Она имела название «Химические исследования остатков Уральской платиновой руды и металла рутения».

О своем научном достижении Карл Клаус сообщил Г.И. Гессу в письме на немецком языке. Там он изложил характеристики, свойства, метод и технологию выделения чистого металла. Гесс в свою очередь зачитал доклад 13 сентября 1844 года в Петербургской Академии наук и отметил сходство между остальным  элементами этой группы.

Где и как добывают Рутений

Металлический рутений
Металлический рутений

Добыча рутения осуществляется из платиновых руд, но сходство и низкая реакционная способность металлов содержащихся в данной руде затрудняет их извлечение. На сегодняшний день существует несколько способов извлечения рутения.

В случае, когда платиновая руда содержит высокую концентрацию рутения обычно сначала отделяют его методом перегонки. Для этого раствор, содержащий трехвалентный или шестивалентный рутений, смешивают с окислителями, такими как хлор, хлораты или перманганат калия, и окисляют рутений до летучего оксида рутения(VIII). Обычно это делают в разбавленной соляной кислоте. Затем его собирают и восстанавливают до водорастворимых хлоррутенатных комплексов. Причиной такой процедуры являются опасности образования оксида рутения(VIII) во время разделения. Например, при взаимодействии оксида рутения (VIII) с солями аммония могут образовываться взрывоопасные соединения азота и хлора.

Если исходный материал содержит лишь небольшое количество рутения, сначала отделяют остальные платиновые металлы. Для этого существуют различные методы для различных металлов, в частности, экстракция подходящими растворителями или осаждение труднорастворимых солей. В конце концов растворенный рутений остается. Раствор освобождают от любого присутствующего аммония и рутений окисляют до оксида рутения (VIII), а затем отделяют перегонкой.

Для получения металлического рутения его либо осаждают в виде гексахлоррутената аммония, либо в виде оксида рутения (IV) и восстанавливают при 800°С в атмосфере водорода. Формула получения выглядит приблизительно следующим образом:

RuO2 + 2H2 → Ru + 2H2O

Помимо платиновых руд важным сырьем для извлечения рутения и других платиновых металлов является анодный шлам, образующийся при производстве никеля. Другим источником рутения являются отработавшие тепловыделяющие элементы, поскольку платиновые металлы также образуются при делении ядер. Одна тонна этих топливных элементов содержит более двух килограммов рутения, а также более ценных платиновых металлов, таких как родий или палладий. Этот рутений из отработанных топливных элементов содержит почти 4% радиоактивного 106Ru (мягкий бета-излучатель, период полураспада около 1 года), который распадается до 106Rh. Родий распадается мгновенно (период полураспада 30 с) с испусканием гамма-излучения. Таким образом, использование рутения из ядерных реакторов в нынешних обстоятельствах не предвидится. Мировое производство рутения составляет около 20 т в год (по состоянию на 2008 г.).

Распространенность Рутения

Металличекий рутений
Металличекий рутений

Распространенность рутения является очень небольшой. Этот химический элемент является одним из самых редких элементов, за исключением радиоактивных, на Земле. Содержание рутения в земной коре составляет около 1 части на миллиард, в то же время до глубины 16 км его содержание составляет около 20 частей на миллиард. Его основными коммерческими источниками являются месторождения платины. Самым крупным месторождением считается «комплекс Бушвельд», который находится в Южной Африке. Содержание рутения в руде составляет от 8 до 12 процентов.

Другими крупными месторождениями являются река Миасс на Южном Урале (Российская Федерация), месторождение возле Нижнего Тагила (Российская Федерация), река Урю в Японии и река Юба в Калифорнии.

Как и другие платиновые металлы он встречается в природе в виде минералов. Сегодня известно всего 13 минералов содержащих рутений. В большинстве случаев они представляют собой сплавы с другими платиновыми металлами. Примерами таких минералов могут служить рутениридосмин, лаурит и арсенит рутена.

Применение Рутения

Хлорид рутения
Хлорид рутения

Применение рутения является достаточно ограниченным из-за его редкости. Большая часть металла используется в электронной промышленности. Зарегистрирован с 2006 года и в основном играет роль элемента перпендикулярной магнитной записи. Причина, по которой используется рутений, связана с его гексагональной кристаллической структурой, которая имеет такую ​​же постоянную кристаллическую решетку, как и используемый сплав накопительного слоя. Тонкие слои рутения используются в электрических контактах, таких как токосъемные кольца или герконовые реле. По сравнению с другими металлами которые можно использовать, такими как закаленное кобальтом золото, они тверже и, следовательно, более устойчивы к истиранию.

Как и другие платиновые металлы, рутений обладает каталитическим действием. Таким образом, речь может идти о гидрогенизации из ароматических соединений кислот и кетонов. Рутений также способен оказывать каталитическое действие при метанировании — производстве метана из водорода и окиси (или двуокиси) углерода. Более низкие температуры, необходимые для метанирования рутением, могут представлять интерес для долгосрочных космических полетов, поскольку углекислый газ, выдыхаемый космонавтами, может быть преобразован и кислородный цикл становится замкнутым.

Аналогично железу и осмию, рутений также катализирует синтез аммиака из азота и водорода. Он обладает более высокой каталитической активностью, чем железо, и, таким образом, обеспечивает более высокий выход при более низких давлениях. Использование металла в основном ограничивается его ценой. Рутениевый катализатор, нанесенный на углеродную матрицу и улучшенный барием и цезием в качестве промоторов, используется в промышленности с 1998 года на двух производственных предприятиях KBR в Тринидаде. Поскольку медленное метанирование углеродного носителя мешает процессу, ведутся исследования безуглеродных рутениевых катализаторов синтеза аммиака.

В небольших количествах рутений используется в сплавах палладия или платины для повышения твердости. Сплавы, содержащие рутений, используются, среди прочего, для перьев перьевых ручек или для пломбирования зубов. Небольшое количество рутения (0,1%) делает титановые сплавы более устойчивыми к коррозии, что важно для применения в химической промышленности или нефтедобыче. Это возможная альтернатива палладию. Также в жаропрочных сплавах на основе никеля, которые используются для лопаток турбин, рутений может быть легирующей составляющей, что оказывает здесь влияние на повышенную фазовую стабильность.

Большая часть рутения используется не в виде металла, а в виде соединения, прежде всего в виде оксида рутения (IV), который используется, среди прочего, в качестве материала для резисторов и электродов , например для покрытия титановых анодов в хлорщелочном электролизе. Бета — излучатель 106Ru используется для лучевой терапии на хориоиде и меланомы.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с рутением не очень много из-за его редкости и неизученности. Рутений, как и другие платиновые металлы, обычно не встречаются в организме человека. Отдельные соединения рутения обладают фармакологическим потенциалом. Сегодня идут изучения этого элемента в качестве активного вещества. То есть вещества способного вызывать специфические реакции в организме человека при его внутреннем и наружном применении. Уже есть положительные результаты в применении в качестве цитостатического агента. Это означает, что некоторые соединения рутения подавляют деление клеток в живых организмах. Такое исследование может положительно сказаться на методах по лечению (или хотя бы сдерживанию) раковых заболеваний. Помимо противоопухолевого действия, которым обладают соединения нескольких платиновых металлов, оно основано прежде всего на трех свойствах комплексов рутения:

  • медленный обмен лигандами (комплекс может достигать нужного места в организме, не реагируя с водой или другими молекулами);
  • несколько возможных степеней окисления (+2, +3, +4) в физиологических условиях;
  • имеет большое сходство с железом ( соединения рутения могут замещать его в белках, таких как трансферрин).

В дополнение к использованию в противоопухолевой химиотерапии также исследуются применения соединений рутения в качестве иммунодепрессантов, антибиотиков и противомикробных веществ, например, для борьбы с малярией или болезнью Шагаса.

Как металл рутений нетоксичен. В отличие от осмия, ядовитый и легколетучий тетраоксид образуется не при взаимодействии с кислородом при комнатной температуре, а только при взаимодействии с сильными окислителями. В виде порошка рутений легко воспламеняется, в случае пожара его нельзя тушить водой, а только порошковыми или металлическими огнетушителями.
Рутений представляет собой серебристо-белый, твердый и хрупкий металл. С плотностью 12,37 г/см 3 это второй по легкости платиновый металл после палладия. Рутений плавится при 2606 К и кипит при температуре около 4423 К. При температуре ниже 0,49 К элемент становится сверхпроводником.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *