Металл рутений и его характеристика. Рутений: самый русский из металлов

Рутений - наиболее легкий и наименее "благородный" из всех металлов платиновой группы. Является едва ли не самым "многовалентным" элементом (известно девять валентных состояний). Несмотря на более чем полувековую историю изучения, он и сегодня перед современными химиками ставит немало вопросов и проблем. Так что же представляет собой рутений как химический элемент? Для начала - небольшой экскурс в историю.

Загадочная и богатая

Название и история открытия рутения неразрывно связаны с Россией. В самом начале XΙX века мировую общественность взволновало и обеспокоило известие о том, что в Российской империи обнаружены богатейшие залежи платины. Ходили слухи, что на Урале добычу этого драгоценного металла можно было вести обыкновенной лопатой. Факт открытия богатых месторождений был вскоре подтвержден тем, что министр финансов России Е. Ф. Канкрин направил на Петербургский Монетный двор высочайший указ о чеканке монет из платины. В последующие годы было запущено в оборот около полутора миллионов монет (3,6 и 12 руб.) для производства которых затрачено 20 тонн драгоценного металла.

"Открытие" Озанна

Изучением состава уральской драгоценной руды занялся профессор Дерптско-Юрьевского (ныне Тартусского) университета Готфрид Озанн. Он пришел к выводу, что платине сопутствуют три неизвестных металла - полуран, полином и рутений - названия которым были даны самим Озанном. Кстати, третий он назвал в честь России (от латинского Ruthenia).

Коллеги Озанна во всей Европе, во главе с авторитетнейшим шведским химиком Йенсом Берцелиусом, очень критично отнеслись к сообщению профессора. В попытке оправдаться ученый повторил серию своих экспериментов, но прежних результатов достигнуть не удалось.

Спустя два десятилетия работами Озанна заинтересовался профессор химии Карл Карлович Клаусс (Казанский университет). Он добился разрешения министра финансов получить в лаборатории Монетного двора несколько фунтов остатков производства монет для проведения повторных исследований.

Русский академик А. Е. Арбузов отмечал в своих трудах, что для открытия нового элемента в те времена химику требовались чрезвычайное трудолюбие и настойчивость, наблюдательность и проницательность, а самое главное - тонкое экспериментальное чутье. Все вышеперечисленные качества в самой высокой степени были присущи молодому Карлу Клауссу.

Исследования ученого имели и практическое значение - дополнительное извлечение чистой платины из остатков руды. Разработав собственный план эксперимента, Клаусс сплавил рудный материал с селитрой и извлек растворимые элементы: осмий, иридий, палладий. Нерастворимую часть подверг воздействию смеси концентрированных кислот ("царской водки") и перегонке. В осадке гидроокиси железа он обнаружил наличие неизвестного металла и выделил его сначала в виде сульфида, а затем - и в чистом (около 6 граммов). Профессор сохранил за элементом название, предложенное Озанном, - рутений.

Открыть и доказать

Но как оказалось, история открытия химического элемента рутения только начиналась. После опубликования в 1844 году результатов исследования на Клаусса обрушился град критики. Выводы неизвестного казанского ученого были скептически восприняты крупнейшими химиками мира. Даже отправка образца нового элемента Берцелиусу не спасла ситуацию. По мнению шведского мэтра, рутений Клаусса являлся лишь "пробой нечистого иридия".

Только выдающиеся качества Карла Карловича как химика-аналитика и экспериментатора и серия дополнительных исследований позволили доказать ученому свою правоту. В 1846 году открытие получило официальное признание и подтверждение. За проведенную работу Клаусс был удостоен Демидовской премии Российской академии наук в размере 10 тыс. рублей. Благодаря таланту и настойчивости казанского профессора ряды платиноидов пополнил рутений - первый элемент, открытый в России (и на сегодняшний день, к сожалению отечественной химической школы, единственный).

Дальнейшие исследования

Области применения

Хотя все свойства благородного металла у рутения присутствуют в полной мере, широкого распространения в ювелирной индустрии элемент не получил. Его используют лишь для укрепления сплавов и придания дорогим украшениям большей прочности.

По количеству потребляемого рутения секторы промышленности расположились в следующем порядке:

Электронный.
Электрохимический.
Химический.

Очень востребованы каталитические свойства элемента. Его применяют при синтезе синильной и азотной кислот, при получении предельных углеводородов, глицерина и полимеризации этилена. В металлургической промышленности добавки рутения используют для увеличения антикоррозийных свойств, придания сплавам прочности, химической и механической стойкости. Радиоактивные изотопы рутения нередко помогают ученым при проведении научных исследований.

Нашли применение и многие соединения элемента в качестве хороших окислителей и красителей. В частности, хлориды используют для усиления люминесценции.

Биологическое значение

Рутений обладает способностью накапливаться в клетках живых тканей, главным образом - мышечных (единственный из металлов платиновой группы). Может провоцировать развитие аллергических реакций, оказывать негативное воздействие на слизистую оболочку глаз и верхнего дыхательного тракта.

В медицине благородный металл используют как средство для распознавания пораженных тканей. Лекарственные препараты на его основе применяют для лечения туберкулеза и различных инфекций, поражающих кожные покровы человека. По этой причине весьма перспективным выглядит использование способности рутения образовывать прочные нитрозокомплексы в борьбе с заболеваниями, связанными с избыточной концентрацией нитратов в организме человека (гипертонии, артрита, септического шока и эпилепсии).

Кто виноват?

Совсем недавно ученые Западной Европы всерьез обеспокоили общественность сообщением, что над континентом растет содержание радиоактивного изотопа рутения Ru 106. Самообразование его в атмосфере специалисты полностью исключают. Как и аварийный выброс с АЭС, так как тогда в воздухе обязательно присутствовали бы радионуклиды цезия и йода, что не подтверждается экспериментальными данными. Воздействие этого изотопа на организм человека, как и всякого радиоактивного элемента, ведет к облучению тканей и органов, развитию онкологических заболеваний. Возможные источники загрязнения, по версии западных СМИ, расположены на территории России, Украины или Казахстана.

В ответ представитель Департамента коммуникаций Росатома заявил, что все предприятия госкорпорации работали и работают в штатных режимах. Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) в своем заключении, основываясь на данных собственного мониторинга, назвало все обвинения в адрес Российской Федерации беспочвенными.

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

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.

Ruthenia на латыни значит «Россия». Как и Россия, рутений красив, загадочен и крайне неудобен для человека. Во-первых, получение чистого рутения – проблема , не решенная до сих пор. Во-вторых, рутений настолько хрупок, что использовать его в чистом виде не представляется возможным. В-третьих, рутений, находящийся в форме различных химических соединений, часто бывает опасным. В том числе и взрывоопасным!

Ну чем не Россия?

История металла

Карл-Эрнст Клаус, прибалтийский немец, родился и вырос в Эстонии. В детстве он разрывался между желанием сделаться ботаником и идеей зарабатывать на жизнь аптекарским ремеслом. Однако судьба велела ему забыть о глупостях, осознать себя русским ученым-химиком и отправиться на службу в Казанский университет.
Сопротивлялся Карл Карлович как мог. Женился на немке, ботаники не оставил (один из родов капусты таки назван его именем), к химии относился не то чтобы пренебрежительно, а... несерьезно. Кислоты трогал руками, растворы пробовал на вкус, ядовитые газы обонял, чтоб запомнить их запах, и часто высказывал соображения, не подобающие солидному ученому. В общем, проявил все черты русского характера – и ненапрасно!

Большинство высказанных профессором К.К. Клаусом идей, слишком смелых для своего времени, оказались верными. Реализуя одну из них, в 1844-м году Клаус получает шесть граммов металла, ранее неизвестного науке и впоследствии названного рутением.

Светила мирового сообщества отмечали близость нового металла отчасти к железу, отчасти к осмию. Возникло – и с тех пор не исчезает – устойчивое мнение, что из всех так называемых «благородных» металлов рутений – самый неблагородный...

Свойства рутения

Вот уже полтораста лет рутений находится в полном распоряжении исследователей, но исчерпывающего понимания его возможностей все еще нет. Экспериментаторы столкнулись с парадоксальным явлением: физические свойства этого платиноида меняются в зависимости от метода получения металла.

Наличие разницы в свойствах, понимают ученые, говорит только о загрязненности образцов. Осознание проблемы отчасти озадачивает, потому как действенного способа очищения рутения от примесей пока нет; а отчасти – обнадеживает, поскольку теоретические характеристики вещества очень завидны.

Так или иначе, сегодня не удается избавить рутений от присущей его отливкам хрупкости. Попытки механической обработки (ковка, прессование, резание) заканчиваются разрушением рутениевой заготовки.

Между тем, производственники весьма заинтересованы в «покорении» металла: газопоглотительные способности рутения непревзойденны . Если палладий способен впитать водорода в 940 раз больше своего объема, то у рутения этот показатель почти вдвое выше! При этом поглотительная способность рутения касается не одного только водорода, но и азота, и – в меньшей степени – других неметаллов.

Четырехокись рутения RuO4 (так же, как и мелкодисперсный родий) настолько химически активна, что даже взрывоопасна. Правда, и родиевая, и рутениевая взрывчатка – явление дороговатое...

Цена и распространенность

По оценкам геологов, рутения в земной коре не более пяти тысяч тонн. Столь незначительное количество, рассеянность и сложность добычи определяют изначально высокую стоимость металла.

Однако ограниченность спроса вносит коррективы в прайс-лист драгоценных металлов. Рутений – самый недорогой из . Его рыночная стоимость на начало 2016-го года всего лишь в 2,7 раза выше цены дороже рутения почти в 30 раз – при том что годовая добыча рутения редко превышает 20 тонн, а золота на мировой рынок поступает 2500 тонн в год.

Нет справедливости в ценообразовании! Как нет ее и в стране Рутении...

Куда идет рутений?

В отличие от большинства благородных металлов, в ювелирной отрасли рутений не используется, причем абсолютно. Дело тут не только в недостаточной выразительности его природного облика и неудобстве физических свойств. Химическая активность соединений рутения настолько велика , что введение металла в человеческий обиход неизбежно приведет к повышению заболеваемости – уверены медики.
Львиная доля добываемого рутения уходит в электронную промышленность. Около трети объема добычи приобретают предприятия электрохимического цикла. Оставшаяся треть потребляется обычными химическими производствами. Совсем немного соединений рутения требуется медицине для изготовления исследовательских и лечебных препаратов.

Водоочистные устройства космических аппаратов работают на рутениевых катализаторах – они наиболее эффективны. В цветной металлургии рутений – ценная легирующая добавка. В концентрациях на уровне десятых и сотых долей процента благородный металл в разы повышает прочностные свойства изделий. Турбинные лопасти реактивных двигателей, высокотемпературные детали ракет, топливная аппаратура летательных аппаратов содержат рутений.

Некоторые технологии получения графена основываются на использовании способности рутения поглощать неметаллы. Рутениевая подложка оказывается надежной основой для выращивания модифицированного углерода.

Растертая в пудру смесь двуокиси и четырехокиси рутения дают возможность криминалистам выявлять слаборазличимые отпечатки пальцев. Никакие другие соединения не «впиваются» в молекулы жиров с такой силой!

Весьма перспективным представляется использование рутениевой краски в качестве...солнечной батареи. В будущем человек сможет утилизировать солнечную энергию при помощи преобразователя, носимого в виде баллончика с краской и двух проводков – причем стоить такая система обещает сущие копейки.

Проблемный рутений

С проблемой рутения столкнулись ядерщики, а вместе с ними и экологи. Для них радиоактивный рутений, возникающий в реакторах в процессе распада урана и плутония, является серьезной и трудноразрешимой проблемой.

До трети шлаковой массы в реакторе приходится на опасный радиорутений. Удалить чрезвычайно «прилипчивый» металл крайне сложно. Зато при консервации отходов атомной энергетики рутений первым находит выход из хранилищ! Миграция активного рутения происходит всеми возможными путями.

Поставить надежный заслон на пути слишком «подвижного» элемента, а равно и дезактивировать металл удается не всегда. Бобовые растения, излюбленная пища человека и животных, концентрируют почвенный рутений в своих корнях..

« »

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.

Химические свойства рутения.

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?

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.

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.

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

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

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.

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.

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.

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.

Задача №3: использование рутения

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.

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.

«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 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.

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.

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.

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 .

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.

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:

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?

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.

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

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.