Рутений применение. Рутений - химический элемент: описание, история и состав

Относящийся к семейству металлов платиновой группы. Внешний вид металла напрямую зависит от способа его добычи, поэтому он может быть серебристо-белого или матово-серого цвета. Название металла произошло от Ruthenia, что в переводе с латыни означает «Россия», и это неслучайно, так как его впервые нашли на Урале. Стоит сказать, что рутений цены за 1 грамм в рублях, на который довольно низкие, по сравнению с другими драгоценными металлами, составляют на сегодняшний день всего 118 рублей.

Добывают рутений в ЮАР, РФ, Канаде и других странах. Главным поставщиком этого благородного металла на сегодняшний день является ЮАР. Его извлекают из остатков платинового производства. В виде примеси присутствует в различных металлических рудах.

Рутений довольно рассеянный химический элемент, но существует единственный минерал, который из него образуется – это лаурит. Кроме того, содержится в продуктах отработанного ядерного топлива. В тонне радиационных отходов содержится около 250 г. рутения.

За год во всем мире добывают 17-21 т. рутения. Общие запасы металла на Земле, по подсчетам ученых, составляют всего 5000 т.

Свойства

Основные достоинства металла – это высокая твердость и повышенная стойкость к различным агрессивным веществам. В таблице Менделеева элемент находится на 44 строчке. Твердость металла – 6,5 по шкале Мооса, по этому показателю он опережает платину в то же время очень хрупок.

При этом металл легкий, и его плотность менее 13 г. на см3. По тугоплавкости занимает 8-е место. Температура плавления металла – 2334С, а кипения – около 4077C. В процессе его нагревания в атмосфере элемент частично окисляется. При температуре 1 000 C рутений окисляется в двуокись RuО2, а при 1 200 C и более – в четырехокись RuO4, которая имеет высшую степень валентности 8+. Способность рутения быстро менять валентность заставляет ученых глубже его изучать.

Окись RuO4 представляет собой желтые кристаллы, которые при температуре 25 C становятся коричнево-оранжевой жидкостью, которая по запаху очень похожа на озон. При этом его контакт со многими органическими веществами приводит ко взрыву. RuO4 – ядовитое вещество, поэтому, если долго дышать его парами, то закружится голова, появится рвота и удушье. У некоторых ученых, занимавшихся RuO4, появлялась экзема.

Металл вступает в реакции при температуре выше 400С. В обычном состоянии элемент не растворяется даже в царской водке. Ему нипочем кислоты и щелочи.

Кроме того, этот элемент обладает отличной газопоглотительной способностью. Впитывает водорода в 1 500 раз больше своего объема, при этом может впитывать не только водород, но и азот, а в меньших количествах и другие неметаллы.

Сферы использования

Ювелирная промышленность

У металла яркий блеск и приятный голубовато-серый оттенок, он не окисляется, поэтому привлекает к себе внимание ювелиров. Очень хрупкий, его используют в качестве одного из легирующих элементов в драгоценных сплавах. Это позволяет повысить их твердость и износоустойчивость. Однако с ним сложно работать, так как у него высокая тугоплавкость.

Добавление этого элемента в золотой сплав придает ему черный тон. Конечно, затемняют золото и родием, однако оттенок выходит не таким насыщенным, как с легирующим рутением.

Медицина

В медицине используют красители с соединениями рутения, что позволяет выделить ткани для их детального изучения, в том числе и раковые опухоли. Это помогает хирургам видеть все пораженные клетки и участки тканей.

Этот материал является биологически активным, поэтому его соединения используют в производстве лекарств против рака, туберкулеза и различных инфекций, поражающих кожные покровы.

Электротехника

Благодаря высокой тугоплавкости этот химический элемент нашел применение в электротехнике. Из него делают контакты и различные элементы высокоточных приборов. Высокая температура плавления сделала его незаменимым материалом для термопар. Устройства необходимы для измерения высоких температур.

При нагревании 272,53 С этот материал становится сверхпроводником, что очень востребовано в электротехнике.

В электронике им покрывают радиодетали для антикоррозийной защиты. Этот слой также делает их стойкими к химическим воздействиям и защищает от механического износа.

Космос

В космической отрасли тоже востребован этот материал – из сплава платины и рутения делают топливные элементы для спутников. Этот состав способен выдержать все перегрузки на орбите Земли.

Химия

Химический элемент рутений благодаря тому, что не вступает в реакции с агрессивными веществами, очень востребован в химии. Кроме того, у него отличные каталитические способности. Рутениевые катализаторы позволяют получать глицерин и другие спирты из целлюлозы.

Главное достоинство рутениевого катализатора – это его избирательность. Помогает химикам синтезировать различные органические, а также продукты неорганического происхождения. Этот катализатор составляет конкуренцию остальными металлами платиновой группы.

Стекольная промышленность

Используют соединения рутения и в стекольной промышленности – их добавляют и в некоторые эмали. Существуют и флуоресцирующие покрытия, свечение которых вызывают соединения этого материала.

Остальные отрасли потребляют около 10% рутения.

Стоимость

Актуальная на сегодняшний день цена драгоценных металлов

Небольшое количество рутения на Земле и сложность добычи этого элемента делают его очень дорогим. Цена за один грамм металла постоянно колеблется, в среднем в пределах 100-200 рублей.

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

Является единственным платиновым металлом , который обнаруживается в составе живых организмов (по некоторым данным - ещё и платина). Концентрируется в основном в мышечной ткани.

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

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

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

Химические и физические свойства рутения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Применение рутения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Добыча рутения

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

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

На фото браслет из сплава, в состав которого входит рутений

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

Цена рутения

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

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

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

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

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

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

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?

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

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.

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?

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. Задача №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. 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.

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.

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 Na2 · 2H2O является пьезоэлектриком, RuО4 – сильнейший окислитель. Многие соединения рутения обладают биологической активностью.

«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.