Исследовательская работа: Химический элемент- Рутений. Рутений - химический элемент: описание, история и состав Органическая химия рутения

Дата написания: 09.04.2024

Время на чтение: 32 минут

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.

Уже несколько дней муссируется в СМИ тема про рутений. Не буду ее пересказывать - думаю вы в курсе.

Так что это такое, было ли это и если было, то чем опасно?

Что такое рутений и где его применяют?

Рутений - это платиновый металл. Сейчас известно семь стабильных и 27 радиоактивных изотопов рутения.

Рутений используют в сплавах для увеличения износостойкости - например, в титане доля рутения составляет 0,1%, а при производстве электрических контактов рутений сплавляют с платиной. Сплавы рутения чрезвычайно устойчивы к высокой температуре, поэтому они используются в аэрокосмической технике как конструкционные материалы. Соединения рутения применяются в ювелирном деле, в электронике - в частности, в тонкопленочных резисторах (это составляет 50% всех случаев применения рутения), а также в солнечных батареях. Кроме того, этот металл - важный катализатор для химических реакций: например, с его помощью на орбитальных станциях очищают воду.

Как открыли рутений?

Фактически этот элемент открывали трижды. Но официально открытие принадлежит профессору Казанского университета Карлу Клаусу. В 1844 году ученый исследовал остатки, которые были получены после извлечения платины и платиновых металлов из руды. Эти остатки Клаус сплавил с селитрой. Часть полученного сплава, которая не растворялась в воде, он подверг воздействию царской водки - смеси азотной и соляной кислоты, которая растворяет металлы, а то, что осталось, перегнал досуха. Из полученного вещества химик выделил гидроокись железа в виде осадка и растворил ее в соляной кислоте. Темный пурпурно-красный цвет раствора навел его на мысль о присутствии неизвестного элемента. Клаусу удалось выделить этот элемент - правда, не в чистом виде, а в соединении с серой.

Новый элемент был назван в честь России - рутением (от лат. Ruthenia). Изначально идея названия принадлежала другому ученому, немецкому химику Готфриду Озанну - он дал это имя одному из трех платиновых металлов, полученных им также при анализе уральской платиновой руды в 1928 году. Однако открытие Озанна не подтвердилось в ходе проверки. Тем не менее, Клаус полагал, что Озанн получил именно рутений, и упомянул об этом. Существует также версия, что элемент на три десятилетия раньше открыл польский профессор Анджей Снядецкий - он предлагал назвать металл вестием, в честь астероида Веста, открытого в 1807 году.

А что известно о рутении-106?

Это радиоактивный изотоп с периодом полураспада чуть более года - из всех нестабильных изотопов рутения этот наиболее долгоживущий. В природе он отсутствует: он появляется при делении урана и плутония в ядерных реакторах - по сути, это побочный продукт утилизации отработанного ядерного топлива (ОЯТ).На момент окончания облучения топлива в реакторе активность 106Ru достигает 2,01 Бк на тонну ОЯТ - это довольно большая цифра.

Основная проблема рутения-106 в том, что во время переработки ядерного топлива он вступает в устойчивые соединения, которые мешают производству новой продукции. Химикам приходится очищать компоненты от рутения на каждом этапе технологического процесса, чтобы получить из отработавшего ядерного топлива новое.

Рутений-106 используется в лучевой терапии при злокачественных опухолях глаз. Также его можно использовать в радиоизотопных термоэлектрических генераторах, которые применяются, в частности в электроснабжении удаленных от Солнца космических аппаратов. Однако для этих целей на практике применяют плутоний-238, изотопы рутения же не используются.

Опасен ли рутений-106 для здоровья?

Рутений-106, как и любой другой источник ионизирующего излучения, оказывает воздействие на организм. Он входит в группу Б - вторую по радиотоксичности. В группу А входят особо опасные радионуклиды: полоний-210, радий-226, плутоний-238 и другие альфа-излучатели. От потока альфа-частиц легко защититься листом бумаги, так как у них низкая проникающая способность - но если они все же попадают в организм, они вызывают лучевую болезнь.

Рутений-106 является бета-излучателем - проще говоря, он испускает поток электронов. В ходе бета-распада образуется сначала родий-106, который моментально распадается до стабильного палладия-106. На обеих стадиях испускаются электроны, а также небольшая компонента гамма-излучения. Если бета-частица попадает в организм, вреда от нее в 20 раз меньше, чем от альфа частицы - но ее проникающая способность выше.

А откуда такая шумиха по поводу рутения?

12 октября Росгидромет опубликовал бюллетень о радиационной обстановке в России за сентябрь 2017 года, в котором были указаны случаи повышения бета-активности в воздухе и во время выпадения атмосферных осадков. В частности, говорилось о повышенной активности рутения-106 - например, в микрорайоне Дема в Уфе 26 — 27 сентября прошел «рутениевый дождь». Еще раньше, в сентябре европейские мониторинговые станции зафиксировали превышение содержания рутения-106 в воздухе. Немецкие Федеральное ведомство по защите от радиации и Федеральное министерство по охране окружающей среды, охране природы и безопасности реакторов предположили, что источник рутения находится на Южном Урале.

И что, это действительно опасно?

Не так страшен черт, как его малюют. Активность рутения-106 на несколько порядков ниже предельно допустимой нормы и вреда здоровью не несет - это изначально и подчеркивал Росгидромет в своем заявлении.

«Определить рутений в атмосфере очень сложно, особенно в таких малых концентрациях», - говорит сотрудник кафедры радиохимии СПбГУ.

Например, для Аргаяша в бюллетене указаны данные в 7,72 х 10 -5 Бк/м3 , в то время как допустимое значение активности рутения-106 по современным стандартам составляет 4,4 Бк/м3. Появление же в отчете данных о превышении содержания рутения-106 в пробах относительно предыдущего периода в «сотни» раз в Росгидромете объяснили тем, что в предыдущих пробах этот радионуклид вообще отсутствовал. Как поясняет главный редактор портала «Геоэнергетика.ру» Борис Марцинкевич, то, что станции радиологического контроля смогли зафиксировать столь малые концентрации 106Ru, можно считать «тестированием, которое убедительно доказало, что станции работают на хорошем техническом уровне». Международное агентство по атомной энергии (МАгАтЭ) изучило предоставленные данные и отвергло обвинения в адрес России.

Кроме того, существует множество естественных альфа-, бета- и гамма-излучателей.

«Если выйти на набережную в Санкт-Петербурге, там радиационный фон будет выше, чем у нас в лаборатории», - говорит сотрудник кафедры радиохимии СПбГУ. «Потому что гранит от природы обладает высоким радиационным фоном».

А почему активность рутения-106 внезапно выросла?

Точно неизвестно. Как заявили в Росатоме, крупных выбросов радиоактивных веществ на российских предприятиях не было. Производственное объединение «Маяк», в свою очередь, категорически отрицает причастность к возможному загрязнению атмосферы изотопом рутений-106. Крупное загрязнение атмосферы рутением может происходить при нарушении герметичности оболочки тепловыделяющего элемента в реакторе, а также при разрушении источников ионизирующего излучения на основе изотопа. ПО «Маяк» утверждает, что выделение изотопа из отработанного ядерного топлива, равно как и изготовление из него источников излучения на предприятии не проводятся уже много лет. Более того, при первом варианте обычно происходит выброс других, «осколочных» изотопов, что обязательно сказалось бы на показателях этих элементов.

Говорят, что рутений прилетел из космоса - это правда?

«Интерфакс» опубликовал версию, что выброс рутения-106 мог произойти при разрушении спутника. Однако академик Российской академии космонавтики имени Циолковского Александр Железняков говорит, что рутений-106 не используется в электрогенераторах спутников - и если бы такой аппарат сводили с орбиты, его траекторию бы тщательно отслеживали. Поэтому эта версия на грани фантастики.

Откуда же тогда он мог взяться?

Правдоподобным выглядит предположение заведующего кафедры радиохимии химического факультета МГУ имени Ломоносова, член-корреспондента РАН Степана Калмыкова. Он считает, что высокочистый раствор радионуклида мог попасть в атмосферу из медицинского учреждения или предприятия, где работают или производят радиофармпрепараты. Это могло произойти на стадии технического процесса, где рутений превращается в аэрозоль - благодаря летучести он мог распространиться в атмосфере. Хотя другие эксперты говорят, что на утечку рутения, предназначенного для медицинских целей (его используют в лучевой терапии), не похоже: облако слишком большое. Но авария, связанная с ядерным топливом или с его отходами, практически исключена, говорит эксперт.

А вице-губернатор Челябинской области Олег Климов сообщил, что «25 сентября, еще до сообщений о рутении в Европе, были зафиксированы концентрации рутения на постах контроля на Южном Урале. Их размер в 20 тыс. раз меньше допустимой годовой дозы. Проверка показала, что это чистый рутений, который к нам пришел из другого места, — отметил Олег Климов. — Ситуация искусственно напряжена и не имеет под собой оснований».

Может быть, напуганным европейцам стоит искать источник в другой стране? Но, оказывается, в Старом Свете, предприятия, имеющие мало-мальское отношение к работе с радиоактивными веществами, строго засекречены. У нас же всё известно, и жертвами этой прозрачности стали российские метеорологи, которые заявили, что да, содержание изотопов рутения в двух пунктах сбора превысило фон предыдущего месяца в сотни раз. Когда речь идет о радиоактивных веществах — все это выглядит страшно для дилетантов. А специалист, глядя на цифры понимает, что и в России, и в Европе концентрация рутения-106 была в тысячи раз ниже хоть сколько-нибудь опасного уровня. И чтобы в будущем не пугать людей, решили впредь в отчетные таблицы вносить сравнения с этими самыми предельными концентрациями.

Вряд ли дело бесхозного рутения будет раскрыто. Радиация здесь лишь фон для шумихи. Ведь в феврале над Европой гуляло облако изотопа йода, куда более опасного, чем рутений, но разве кто-нибудь слышали об этом?

источники

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.

« »

Сергеева Екатерина Юрьевна

ГАОУ СПО «Чистопольский политехнический колледж»

Руководитель Ионычева А.Л.

АННОТАЦИЯ

В данной работе меня заинтересовала история открытия, свойства и возможные области применения химического элемента Рутения, который был открыт Карлом Карловичем Клаусом в химической лаборатории Казанского университета и по праву может называться Казанским химическим элементом. 2011 год, был объявлен ЮНЕСКО Годом химии, учащимся Казани и Республики Татарстан стоит вспомнить об этом явно незаурядном событии в более чем 1000-летней истории города Казань и единственного в России человека К.К.Клауса, открывшего естественный химический элемент, тем более, что он по праву считается одним из родоначальников Казанской химической школы.

Данная тема показалась нам интересной и актуальной еще и потому, что

Рутений один из представителей платиновых металлов, но был открыт самым последним. Открытие Рутения представляло большие трудности.

Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы - Рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета.

Изучая проблему, мы пользовались материалами интернет – ресурса: сайта «Мир химии», Викисловарем, Популярной библиотекой химических элементов, Издательство «Наука»,2011г.

Во время проведения недели естественных наук мы провели (в ряду других мероприятий) научно – практическую конференцию: «Великие ученые-химики и их открытия», на которой были представлены исследовательские работы и ряд презентаций, которые стали хорошим подспорьем в работе преподавателей и заинтересованности обучающихся в изучении химии и других естественных дисциплин.

Казанский химический элемент (Рутений)

«Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы – рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета»

Академик А.Е. Арбузов

История открытия рутения

Рутений-первый химический элемент, открытый русским ученым-химиком Карлом Карловичем Клаусом. Рутений -представитель платиновых металлов, открыт последним среди них.

Исследованиями занимались А. Снядецкий, поляк по национальности, и русский ученый К.К. Клаус. Большую помощь ученому оказал Е.Ф. Канкрин, эанимавший в то время пост министра финансов

К.К. Клаус

Он то и предоставил Клаусу остатки сырой платины, из которой ученый выделил платину, а также другие металлы: родий, палладий, иридий и осмий. Кроме этих металлов выделил также смесь других, в которой по мнению Клауса должно было находиться новое, еще неизвестное вещество. Химик повторил опыты Г.В. Озанна, а затем, разработав свой план эксперимента, получил новый химический элемент-рутений. И опять отправил письмо И.Берцеллиусу, но тот как и в первый раз не согласился с доводами Клауса. Но русский химик не внял доводам Берцеллиуса и доказал, что открыл новый химический элемент платиновой группы. И в 1845 году Берцеллиус признал открытие рутения.

Назван химический элемент в честь России (латинское название России-Рутениа)

По просьбе министерства финансов профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус в 1841 году приступил к поискам способа переработки остатков платиновых руд, накопившихся на Петербургском Монетном дворе, с целью более полного извлечения платины. Годом раньше, стараниями ректора Лобачевского для химической лаборатории было воздвигнуто отдельное двухэтажное здание с огромным подвалом, оснащённое самым современным оборудованием.

Клаус установил состав остатков платиновой руды и разработал методы разделения и получения в чистом виде платиновых металлов. Клаусу пришлось преодолеть исключительные экспериментальные трудности, учитывая уровень знаний тех времен. Кроме того, работа была опасна для здоровья, так как в процессе обработки руд образовывались крайне ядовитые вещества.

Среди выделенных компонентов Клаус обнаружил неизвестный ранее металл. Он изучил свойства как самого металла, так и его соединений, с особой тщательностью определил его атомный вес, отработал метод его выделения и очистки. В 1844 году Клаус опубликовал полученные результаты, назвав новый химический элемент рутением, в честь России. Мировая научная общественность сначала с сомнением приняла это открытие, так как тогда ошибочно «открывалось» много элементов.

Только в 1846 году, когда Клаус опубликовал новую работу о дальнейшем изучении рутения, его открытие было всеми признано. Вскоре казанскому профессору Российской академией наук была присуждена Демидовская премия за исследования в области платиновых металлов. Её величина в 10000 рублей тогда была гораздо большей, чем теперешняя Нобелевская премия.

Химическая лаборатория Казанского университета, где в 1842 году работал Клаус. Сто лет спустя в этой комнате начинал работу будущий Курчатовский институт.

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.. 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 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). Исследование Рутения ставит сегодня перед химиками три задачи:

Задача №1: Как избавиться от рутения?

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. 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?

Задача №2: дальнейшее изучение химии рутения и его соединений.

Необычайная актуальность задачи №1 заставляет исследователей все глубже проникать в химию рутения и его соединений.

Советский ученый Сергей Михайлович Старостин 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.

Задача №3: использование рутения

Где же используется рутений и каковы перспективы его применения?

Важное значение приобрели рутениевые катализаторы для реакции получения глицерина и других многоатомных спиртов из целлюлозы путем ее гидрирования.

«Вечное» перо

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 новенькие. 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.. 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.

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.

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