Kto odkrył ruten. Ruten - pierwiastek chemiczny: opis, historia i skład. Działanie fizjologiczne i rola biologiczna

Ruten jest pierwiastkiem bocznej podgrupy ósmej grupy piątego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych D. I. Mendelejewa, liczba atomowa 44. Oznaczony symbolem Ru (łac. Ruten).

Historia odkrycia tego pierwiastka rozpoczęła się w Rosji, kiedy w latach 20. XIX wieku na Uralu odkryto złoża platyny. Wiadomość o tym odkryciu szybko rozeszła się po całym świecie i wywołała wiele niepokoju i ekscytacji na rynku międzynarodowym. Wśród zagranicznych spekulantów krążyły pogłoski o potwornych bryłkach, o piasku platynowym, który górnicy platyny wydobywali bezpośrednio łopatami. Rzeczywiście złoża platyny okazały się bogate, a hrabia Kankrin, będący wówczas ministrem finansów Rosji, wydał rozkaz bicia monet platynowych. Zaczęto bić monety o nominałach 3,6 i 12 rubli. Wyemitowano 1 400 000 platynowych monet, wykorzystując ponad 20 ton rodzimej platyny.

W roku, w którym Kankrin nakazał bicie monet, profesor Uniwersytetu Juryjewa Ozanne, badając próbki platyny Ural, doszedł do wniosku, że platynie towarzyszyły trzy nowe metale. Ozanne nazwał jeden z nich półbiegunem, drugi wielomianem, a trzeci na cześć nazwy łacińskiej. Rosja - Ruś nadała nazwę - ruten. Chemicy z niedowierzaniem przyjęli „odkrycie” Ozanne’a. Szczególnie protestował szwedzki chemik Berzelius, którego władza była wówczas prawdziwie globalna. Spór, jaki powstał pomiędzy Ozanne’em i Berzeliusem, rozstrzygnął K. K. Klaus, profesor chemii na Uniwersytecie Kazańskim. Otrzymawszy do swojej dyspozycji niewielką ilość pozostałości z bicia monet platynowych, Klaus odkrył w nich nowy metal, dla którego zachował zaproponowaną przez Ozanne’a nazwę ruten. 13 września 1844 roku Klaus sporządził w Akademii Nauk raport na temat nowego pierwiastka i jego właściwości. W 1845 roku w osobnej książce ukazał się raport Klausa zatytułowany „Badania chemiczne pozostałości Uralu Platyny i Rutenu Metalu”. „...Niewielka ilość zbadanego materiału – nie więcej niż sześć gramów całkowicie czystego metalu – nie pozwoliła mi na kontynuowanie badań” – napisał Klaus w swojej książce. Jednak uzyskane dane na temat właściwości nowego metalu pozwoliły Klausowi stanowczo zadeklarować odkrycie nowego pierwiastka chemicznego.

Chcąc zaznajomić zagranicznych naukowców z odkryciem nowego pierwiastka, Klaus wysłał do Berzeliusa próbkę metalu. Odpowiedź Berzeliusa była co najmniej dziwna. Mając w rękach nowy pierwiastek ze szczegółowym opisem jego właściwości, nie zgodził się z opinią Klausa. Berzelius stwierdził, że metal otrzymany od Klausa to „próbka zanieczyszczonego irydu”, pierwiastka od dawna znanego. Berzelius był później zmuszony przyznać się do błędu.

Separacja metali platynowych i otrzymanie ich w czystej postaci (rafinacja) jest zadaniem bardzo trudnym, wymagającym dużo pracy, czasu, drogich odczynników, a także wysokich umiejętności. Platynę rodzimą, „złom” platyny i inne materiały poddaje się najpierw obróbce „wódką regia” w niskiej temperaturze. W tym przypadku platyna i pallad są całkowicie przenoszone do roztworu w postaci H2 i H2, miedzi, żelaza i niklu - w postaci chlorków CuCl2, FeCl3, NiCl2. Rod i iryd są częściowo rozpuszczone w postaci H3 i H2. Pozostałość, nierozpuszczalna w wodzie królewskiej, składa się ze związku osmu z irydem oraz towarzyszących mu minerałów (kwarc SiO2, ruda chromowo-żelazowa FeCr2O4, magnetyczna ruda żelaza Fe3O4 itp.). Po przefiltrowaniu roztworu wytrąca się z niego platyna z chlorkiem amonu. Aby jednak osad heksachloroplatynianu amonu nie zawierał irydu, który tworzy także trudno rozpuszczalny heksachloroirydyt amonu (IV) (NH4)2, konieczna jest redukcja Ir (IV) do Ir (III). Odbywa się to poprzez dodanie np. cukru trzcinowego C12H22O14 (metoda I.I. Czerniajewa). Heksachloroirydyt(III) amonu jest rozpuszczalny w wodzie, a chlorek amonu nie wytrąca się. Osad heksachloroplatynianu amonu odsącza się, przemywa, suszy i kalcynuje. Powstałą gąbkę platynową prasuje się, a następnie stapia w płomieniu tlenowo-wodorowym lub w piecu elektrycznym o wysokiej częstotliwości. Pallad, rod i iryd ekstrahuje się z filtra z heksachloroplatynianem amonu; stopy irydu obejmują iryd, osm i ruten. Wymagane do tego operacje chemiczne są bardzo złożone. Obecnie głównym źródłem metali platynowych są rudy siarczkowe miedzi i niklu. W wyniku ich złożonej obróbki wytapiane są tzw. „szorstkie” metale – zanieczyszczony nikiel i miedź. Podczas rafinacji elektrolitycznej metale szlachetne gromadzą się w postaci szlamu anodowego, który kierowany jest do rafinacji.

Istotnym źródłem rutenu do jego ekstrakcji jest jego izolacja z fragmentów rozszczepienia materiałów jądrowych (pluton, uran, tor), gdzie jego zawartość w wypalonych prętach paliwowych sięga 250 gramów na tonę „spalonego” paliwa jądrowego.

Pod względem ogniotrwałości (temperatura topnienia 2250 ° C) ruten ustępuje tylko kilku pierwiastkom - renowi, osmowi i wolframowi.

Najcenniejsze właściwości rutenu to ogniotrwałość, twardość, odporność chemiczna i zdolność przyspieszania niektórych reakcji chemicznych. Najbardziej typowymi związkami są te o wartościowościach 3+, 4+ i 8+. Ma tendencję do tworzenia złożonych związków. Stosowany jest jako katalizator, w stopach z platyną, jako materiał na ostre końcówki, na styki, elektrody oraz w biżuterii.

Ruten i osm są kruche i bardzo twarde. Pod wpływem tlenu i silnych utleniaczy tworzą tlenki RuO4 i OsO4. Są to topliwe żółte kryształy. Opary obu związków mają silny, nieprzyjemny zapach i są bardzo trujące. Obydwa związki łatwo oddają tlen, ulegając redukcji do RuO2 i OsO2 lub do metali. Z zasadami RuO4 daje sole (rutenaty): 2Ru04 + 4KOH = 2K2RuO4 + 2H2O + O2

• Niewielki dodatek rutenu (0,1%) zwiększa odporność tytanu na korozję.
• Dodawany do platyny, służy do wykonywania niezwykle odpornych na zużycie styków elektrycznych.
• Katalizator wielu reakcji chemicznych. Ruten zajmuje bardzo ważne miejsce jako katalizator w systemach oczyszczania wody stacji orbitalnych.

Zdolność rutenu do katalitycznego wiązania azotu atmosferycznego w temperaturze pokojowej jest również wyjątkowa.

Ruten i jego stopy są stosowane jako żaroodporne materiały konstrukcyjne w inżynierii lotniczej i do 1500 ° C mają lepszą wytrzymałość niż najlepsze stopy molibdenu i wolframu (mają również tę zaletę, że charakteryzują się wysoką odpornością na utlenianie).

W ostatnich latach szeroko badano tlenek rutenu jako materiał do produkcji superkondensatorów do wytwarzania energii elektrycznej o właściwej pojemności elektrycznej przekraczającej 700 faradów/gram.

Zastosowanie rutenu do uprawy grafenu

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory (USA) wykazali, że podczas epitaksjalnego wzrostu grafenu na powierzchni Ru(0001) tworzą się makroskopowe obszary grafenu. W tym przypadku wzrost następuje warstwa po warstwie i choć pierwsza warstwa jest silnie połączona z podłożem, to druga praktycznie z nim nie oddziałuje i zachowuje wszystkie unikalne właściwości grafenu.

Synteza opiera się na fakcie, że rozpuszczalność węgla w rucie jest silnie zależna od temperatury. W temperaturze 1150°C ruten nasyca się węglem, a gdy temperatura spada do 825°C, węgiel wydostaje się na powierzchnię, w wyniku czego tworzą się wyspy grafenowe o wielkości przekraczającej 100 mikronów. Wyspy rosną i łączą się, po czym rozpoczyna się wzrost drugiej warstwy.

Fabuła

pochodzenie imienia

Paragon

Ruten otrzymywany jest jako „odpad” z rafinacji platyny i metali platynowych.

Istotnym źródłem rutenu do jego ekstrakcji jest jego oddzielenie od fragmentów rozszczepialnych materiałów jądrowych (pluton, uran, tor), gdzie jego zawartość w wypalonych prętach paliwowych sięga 250 gramów na tonę wypalonego paliwa jądrowego.

Opracowano również technologię produkcji rutenu z technetu-99 przy użyciu napromieniania neutronowego molibdenu.

Produkcja, zapasy i cena

Fizyczne i chemiczne właściwości

Skład izotopowy

Naturalny ruten składa się z siedmiu stabilnych izotopów:

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

Właściwości fizyczne

Przez ogniotrwałość ( T pl = 2334 °C) ruten ustępuje jedynie kilku pierwiastkom - renowi, osmu, molibdenowi, irydowi, wolframowi, tantalowi i niobowi.

Właściwości chemiczne

Ruten jest metalem bardzo obojętnym.

Związki nieorganiczne

Chemia organiczna rutenu

Ruten tworzy szereg związków metaloorganicznych i jest aktywnym katalizatorem.

Aplikacja

• Niewielki dodatek rutenu (0,1%) zwiększa odporność tytanu na korozję.
• Dodawany do platyny, służy do wykonywania niezwykle odpornych na zużycie styków elektrycznych.
• W rezystorach grubowarstwowych stosuje się dwutlenek rutenu i ruteniany bizmutu. Te dwa zastosowania w elektronice zużywają około 50% produkowanego rutenu.
• Katalizator wielu reakcji chemicznych. Ruten odgrywa bardzo ważną rolę jako katalizator w systemach oczyszczania wody stacji orbitalnych.
• Czerwień rutenowa jest stosowana jako konkurencyjny antagonista w badaniu kanałów jonowych (CatSper1, TASK, RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6, TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1) .

Zdolność rutenu do katalitycznego wiązania azotu atmosferycznego w temperaturze pokojowej jest również wyjątkowa. Odkrycie, którego dokonali eksperymentalnie naukowcy z Uniwersytetu Minnesota w 2018 roku, pokazuje, że pierwiastek chemiczny ruten jest czwartym pierwiastkiem chemicznym, który ma unikalne właściwości magnetyczne w temperaturze pokojowej. Do niedawna znano tylko trzy stabilne pierwiastki magnetyczne: żelazo (Fe), kobalt (Co), nikiel (Ni) i częściowo gadolin (Gd), który traci swoje właściwości magnetyczne w temperaturach powyżej 8 stopni Celsjusza. Odkrycie nowego materiału magnetycznego może doprowadzić do opracowania nowych typów czujników, urządzeń przechowujących, urządzeń przetwarzających informacje i wielu innych urządzeń elektronicznych i elektromechanicznych. Oprócz tradycyjnych technologii wykorzystujących właściwości magnetyczne materiałów, pojawienie się nowego materiału magnetycznego może odegrać ważną rolę w dalszym rozwoju szeregu nowych dziedzin, takich jak spintronika. Umożliwi to fakt, że technologie hodowli cienkich warstw i tworzenia nanostruktur osiągnęły już poziom pozwalający na wytwarzanie materiałów o unikalnych właściwościach, których te same materiały pochodzenia naturalnego nie posiadają.

Ruten i jego stopy są stosowane jako żaroodporne materiały konstrukcyjne w inżynierii lotniczej i do 1500°C mają lepszą wytrzymałość niż najlepsze stopy molibdenu i wolframu (mają również tę zaletę, że charakteryzują się wysoką odpornością na utlenianie).

Działanie fizjologiczne i rola biologiczna

Ruten wydaje się być pierwiastkiem śladowym. Jest to jedyna platyna metaliczna występująca w organizmach żywych (według niektórych źródeł platyna również występuje). Skoncentrowany głównie w tkance mięśniowej.

Ruś oznacza po łacinie „Rosję”. Podobnie jak Rosja, ruten jest piękny, tajemniczy i niezwykle niewygodny dla człowieka. Po pierwsze, uzyskanie czystego rutenu stanowi problem, nie został jeszcze rozwiązany. Po drugie, ruten jest tak delikatny, że nie można go używać w czystej postaci. Po trzecie, ruten występujący w postaci różnych związków chemicznych jest często niebezpieczny. W tym wybuchowe!

Dlaczego nie Rosja?

Historia metalu

Większość wypowiedzi profesora K.K. Pomysły Klausa, zbyt odważne jak na swoje czasy, okazały się słuszne. Realizując jedno z nich, w 1844 roku Klaus otrzymał sześć gramów nieznanego nauce metalu, który później nazwano rutenem.

Luluminarze społeczności światowej zauważyli bliskość nowego metalu, częściowo z żelazem, częściowo z osmem. Pojawiła się – i od tamtej pory nie zanikła – silna opinia, że Ze wszystkich tak zwanych metali „szlachetnych” ruten jest najbardziej zasadowym...

Właściwości rutenu

Naukowcy rozumieją, że obecność różnicy we właściwościach wskazuje jedynie, że próbki są zanieczyszczone. Świadomość problemu jest częściowo zastanawiająca, ponieważ nie ma skutecznego sposobu na oczyszczenie rutenu z zanieczyszczeń; i częściowo jest to zachęcające, ponieważ teoretyczne właściwości substancji są godne pozazdroszczenia.

Tak czy inaczej, dziś nie można pozbyć się rutenu z wrodzonej kruchości jego odlewów. Próby obróbki mechanicznej (kucie, prasowanie, cięcie) kończą się zniszczeniem rutenowego przedmiotu obrabianego.

Tymczasem pracownicy produkcyjni są bardzo zainteresowani „podbijaniem” metalu: możliwości absorpcji gazu przez ruten są niezrównane. Jeśli pallad jest w stanie wchłonąć wodór w ilości 940 razy większej niż jego objętość, to w przypadku rutenu liczba ta jest prawie dwukrotnie większa! Ponadto zdolność absorpcyjna rutenu dotyczy nie tylko wodoru, ale także azotu i – w mniejszym stopniu – innych niemetali.

Czterotlenek rutenu RuO4 (podobnie jak drobno rozdrobniony rod) jest tak aktywny chemicznie, że może nawet wybuchnąć. To prawda, że ​​zarówno rodowe, jak i rutenowe materiały wybuchowe są dość drogie...

Cena i rozpowszechnienie

Ograniczony popyt powoduje jednak korekty cennika metali szlachetnych. Ruten jest najtańszym z nich. Jego wartość rynkowa na początku 2016 roku jest zaledwie 2,7 razy wyższa od ceny rutenu, który jest prawie 30 razy droższy – mimo że roczna produkcja rutenu rzadko przekracza 20 ton, a na rynek światowy trafia 2500 ton złota na rok.

Brak uczciwości w ustalaniu cen! Tak jak nie ma go na Rusi...

Gdzie trafia ruten?

Urządzenia do oczyszczania wody na statkach kosmicznych działają na katalizatorach rutenowych – to one są najskuteczniejsze. W metalurgii metali nieżelaznych ruten jest cennym dodatkiem stopowym. W stężeniach dziesiątych i setnych procenta metal szlachetny znacznie podnosi właściwości wytrzymałościowe wyrobów. Łopatki turbin silników odrzutowych, wysokotemperaturowe części rakiet i wyposażenie paliwowe samolotów zawierają ruten.

Niektóre technologie produkcji grafenu opierają się na wykorzystaniu zdolności rutenu do pochłaniania niemetali. Podłoże rutenowe okazuje się solidną podstawą do uprawy węgla modyfikowanego.

Sproszkowana mieszanina dwutlenku rutenu i czterotlenku rutenu umożliwia kryminalistom identyfikację słabych odcisków palców. Żadne inne związki nie „wgryzają się” w cząsteczki tłuszczu z taką siłą!

Zastosowanie farby rutenowej jako... baterii słonecznej wydaje się bardzo obiecujące. W przyszłości człowiek będzie mógł wykorzystać energię słoneczną za pomocą konwertera noszonego w postaci puszki z farbą i dwóch przewodów - a taki system zapowiada się na grosze.

Problematyczny ruten

Aż jedna trzecia masy żużla w reaktorze składa się z niebezpiecznego radiorutenu. Niezwykle lepki metal jest niezwykle trudny do usunięcia. Ale w przypadku ochrony odpadów nuklearnych ruten jako pierwszy znajduje sposób na uniknięcie składowania! Migracja aktywnego rutenu zachodzi wszystkimi możliwymi sposobami.

Nie zawsze da się postawić niezawodną barierę na drodze zbyt „ruchomego” elementu i odkazić metal. Rośliny strączkowe, ulubione pożywienie ludzi i zwierząt, koncentrują w swoich korzeniach ruten glebowy.

Ruten jest najlżejszym i najmniej „szlachetnym” ze wszystkich metali z grupy platynowców. Jest to chyba najbardziej „wielowartościowy” pierwiastek (znanych jest dziewięć stanów walencyjnych). Pomimo ponad półwiecznej historii badań, wciąż stawia ona przed współczesnymi chemikami wiele pytań i problemów. Czym więc jest ruten jako pierwiastek chemiczny? Na początek krótka wycieczka do historii.

Tajemniczy i bogaty

Nazwa i historia odkrycia rutenu są nierozerwalnie związane z Rosją. Na samym początku XIX wieku społeczność światową z radością i zaniepokojeniem przyjęła wiadomość o odkryciu najbogatszych złóż platyny w Imperium Rosyjskim. Krążyły pogłoski, że na Uralu wydobycie tego szlachetnego metalu można przeprowadzić zwykłą łopatą. Fakt odkrycia bogatych złóż wkrótce potwierdził fakt, że Minister Finansów Rosji E.F. Kankrin wysłał do Mennicy Petersburgu najwyższy dekret w sprawie bicia monet z platyny. W kolejnych latach do obiegu wprowadzono około półtora miliona monet (3,6 i 12 rubli), do wyprodukowania których potrzeba było 20 ton metali szlachetnych.

„Odkrycie” Ozanne’a

Profesor Uniwersytetu Dorpat-Juryev (obecnie Tartu) Gottfried Ozanne rozpoczął badania składu cennej rudy Uralu. Doszedł do wniosku, że platynie towarzyszą trzy nieznane metale - poluran, wielomian i ruten, których nazwy nadał sam Ozanne. Nawiasem mówiąc, trzeci nazwał na cześć Rosji (od łacińskiego Ruś).

Koledzy Ozanne'a w całej Europie, na czele z najbardziej autorytatywnym szwedzkim chemikiem Jensem Berzeliusem, bardzo krytycznie odnieśli się do przesłania profesora. Próbując się usprawiedliwić, naukowiec powtórzył serię eksperymentów, ale nie udało mu się osiągnąć takich samych wyników.

Dwie dekady później twórczością Ozanne’a zainteresował się profesor chemii Karl Karlovich Clauss (Uniwersytet w Kazaniu). Uzyskał zgodę Sekretarza Skarbu na pozyskanie z laboratorium Mennicy kilku funtów pozostałości po produkcji monet do ponownego zbadania.

Rosyjski akademik A.E. Arbuzow zauważył w swoich pismach, że aby w tamtych czasach odkryć nowy pierwiastek, chemik potrzebował niezwykle ciężkiej pracy i wytrwałości, obserwacji i wnikliwości, a co najważniejsze, subtelnego zmysłu eksperymentalnego. Wszystkie powyższe cechy były w najwyższym stopniu nieodłączne od młodego Karla Claussa.

Badania naukowca miały także znaczenie praktyczne – dodatkowa ekstrakcja czystej platyny z pozostałości rudy. Po opracowaniu własnego planu eksperymentów Clauss stopił rudę saletrą i wyekstrahował pierwiastki rozpuszczalne: osm, iryd, pallad. Część nierozpuszczalną poddano działaniu mieszaniny stężonych kwasów („aqua regia”) i destylowano. W osadzie wodorotlenku żelaza odkrył obecność nieznanego metalu i wyizolował go najpierw w postaci siarczku, a następnie w czystej postaci (około 6 gramów). Profesor pozostawił zaproponowaną przez Ozanne’a dla pierwiastka nazwę – ruten.

Otwórz i udowodnij

Ale jak się okazało, historia odkrycia pierwiastka chemicznego rutenu dopiero się zaczyna. Po opublikowaniu wyników badania w 1844 r. na Claussa spadł grad krytyki. Odkrycia nieznanego kazańskiego naukowca spotkały się ze sceptycyzmem czołowych chemików świata. Nawet wysłanie próbki nowego elementu do Berzeliusa nie uratowało sytuacji. Według szwedzkiego mistrza ruten Claussa był jedynie „próbką zanieczyszczonego irydu”.

Tylko wybitne cechy Karla Karlovicha jako chemika analitycznego i eksperymentalnego oraz szereg dodatkowych badań pozwoliły naukowcowi udowodnić, że miał rację. W 1846 roku odkrycie otrzymało oficjalne uznanie i potwierdzenie. Za swoją pracę Klauss otrzymał Nagrodę Demidowa Rosyjskiej Akademii Nauk w wysokości 10 tysięcy rubli. Dzięki talentowi i wytrwałości kazańskiego profesora do grona platynoidów zaliczono ruten – pierwszy pierwiastek odkryty w Rosji (i dziś, niestety dla krajowej szkoły chemicznej, jedyny).

Dalsze badania

Obszary zastosowań

Chociaż ruten ma w pełni wszystkie właściwości metalu szlachetnego, pierwiastek ten nie jest szeroko stosowany w przemyśle jubilerskim. Służy wyłącznie do wzmacniania stopów i zwiększania trwałości drogiej biżuterii.

Według ilości zużytego rutenu sektory przemysłowe są ułożone w następującej kolejności:

1. Elektroniczny.
2. Elektrochemiczny.
3. Chemiczny.

Właściwości katalityczne pierwiastka są bardzo poszukiwane. Stosowany jest w syntezie kwasów cyjanowodorowego i azotowego, w produkcji węglowodorów nasyconych, gliceryny oraz w polimeryzacji etylenu. W przemyśle metalurgicznym dodatki rutenu stosuje się w celu zwiększenia właściwości antykorozyjnych, nadania stopom wytrzymałości, odporności chemicznej i mechanicznej. Radioaktywne izotopy rutenu często pomagają naukowcom w prowadzeniu badań naukowych.

Wiele związków tego pierwiastka znalazło również zastosowanie jako dobre utleniacze i barwniki. W szczególności chlorki stosuje się w celu zwiększenia luminescencji.

Znaczenie biologiczne

Ruten ma zdolność kumulowania się w żywych komórkach tkanek, głównie mięśniowych (jedyny z metali z grupy platynowców). Może powodować rozwój reakcji alergicznych i mieć negatywny wpływ na błonę śluzową oczu i górnych dróg oddechowych.

W medycynie metal szlachetny służy do rozpoznawania dotkniętych tkanek. Leki na jego bazie stosuje się w leczeniu gruźlicy i różnych infekcji dotykających ludzką skórę. Z tego powodu bardzo obiecujące wydaje się wykorzystanie zdolności rutenu do tworzenia silnych kompleksów nitrozowych w walce z chorobami związanymi z nadmiernym stężeniem azotanów w organizmie człowieka (nadciśnienie, zapalenie stawów, wstrząs septyczny i epilepsja).

Kto jest winny?

Niedawno naukowcy w Europie Zachodniej poważnie zaniepokoili opinię publiczną komunikatem, że na kontynencie rośnie zawartość radioaktywnego izotopu rutenu Ru 106. Eksperci całkowicie wykluczają jego samoistne powstawanie w atmosferze. Podobnie jak w przypadku awaryjnego uwolnienia z elektrowni jądrowej, od tego czasu radionuklidy cezu i jodu musiałyby być obecne w powietrzu, czego nie potwierdzają dane eksperymentalne. Oddziaływanie tego izotopu na organizm człowieka, jak każdy pierwiastek radioaktywny, prowadzi do napromieniowania tkanek i narządów oraz rozwoju nowotworów. Według zachodnich mediów możliwe źródła zanieczyszczeń zlokalizowane są w Rosji, Ukrainie czy Kazachstanie.

W odpowiedzi przedstawiciel Departamentu Łączności Rosatom stwierdził, że wszystkie przedsiębiorstwa państwowego koncernu pracowały i działają normalnie. Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej (MAEA) w swojej konkluzji, opartej na własnych danych z monitoringu, uznała wszelkie oskarżenia pod adresem Federacji Rosyjskiej za bezpodstawne.

« »

Siergiejewa Ekaterina Juriewna

Państwowa Autonomiczna Instytucja Edukacyjna „Politechnika Chistopol”

Szef Ionycheva A.L.

ADNOTACJA

W tej pracy interesowałem się historią odkrycia, właściwościami i możliwymi obszarami zastosowania pierwiastka chemicznego Ruten, który został odkryty przez Karla Karlovicha Klausa w laboratorium chemicznym Uniwersytetu w Kazaniu i słusznie można go nazwać pierwiastkiem chemicznym Kazania. Rok 2011 został ogłoszony przez UNESCO Rokiem Chemii, studenci Kazania i Republiki Tatarstanu powinni pamiętać to niewątpliwie niezwykłe wydarzenie w ponad 1000-letniej historii miasta Kazań I jedyna osoba w Rosji, K.K. Klaus, która odkryła naturalny pierwiastek chemiczny, zwłaszcza że słusznie uważany jest za jednego z założycieli kazańskiej szkoły chemicznej.

Temat ten wydawał się nam interesujący i istotny również dlatego, że

Ruten jest jednym z przedstawicieli metali platynowych, ale został odkryty ostatnio. Odkrycie rutenu nastręczało wielkie trudności.

Aby odkryć nowy pierwiastek z grupy platynowców – ruten – w czasach Klausa trzeba było wykazać się niezwykłą obserwacją, wnikliwością, ciężką pracą, wytrwałością i subtelną sztuką eksperymentalną. Klaus, jeden z pierwszych wybitnych przedstawicieli nauk chemicznych na młodym wówczas uniwersytecie w Kazaniu, posiadał wszystkie te cechy w wysokim stopniu.

W badaniu problemu korzystaliśmy z materiałów pochodzących z zasobu internetowego: serwisu World of Chemistry, Wikisłownik, Popular Library of Chemical Elements, Wydawnictwo Nauka, 2011.

W tygodniu nauk przyrodniczych zorganizowaliśmy m.in. konferencję naukowo-praktyczną: „Wielcy chemicy i ich odkrycia”, na której zaprezentowano prace badawcze oraz szereg prezentacji, co stało się dobrą pomocą w pracy nauczycieli oraz zainteresowanie studentów studiowaniem chemii i innych dyscyplin przyrodniczych.

Pierwiastek chemiczny Kazania (ruten)

„Aby w czasach Klausa odkryć nowy pierwiastek z grupy platynowców, ruten, trzeba było wykazać się niezwykłą obserwacją, wnikliwością, ciężką pracą, wytrwałością i subtelną sztuką eksperymentalną. Klaus, jeden z pierwszych wybitnych przedstawicieli nauk chemicznych na młodym wówczas uniwersytecie w Kazaniu, posiadał wszystkie te cechy w wysokim stopniu”.

Akademik A.E. Arbuzow

Historia odkrycia rutenu

Ruten był pierwszym pierwiastkiem chemicznym odkrytym przez rosyjskiego chemika Karla Karlovicha Klausa. Ruten jest przedstawicielem metali platynowych i był odkryty jako ostatni.

Badania przeprowadzili A. Snyadetsky, ze względu na narodowość Polak, oraz rosyjski naukowiec K.K. Klausa. E.F. udzielił naukowcowi ogromnej pomocy. Kankrina, który w tym czasie piastował stanowisko Ministra Finansów

K.K. Klausa

To on dostarczył Klausowi pozostałości surowej platyny, z której naukowiec wyizolował platynę, a także inne metale: rod, pallad, iryd i osm. Oprócz tych metali wyizolował także mieszaninę innych, która zdaniem Klausa powinna zawierać nową, wciąż nieznaną substancję. Chemik powtórzył eksperymenty G.V. Ozanne’a, a następnie po opracowaniu własnego planu eksperymentalnego uzyskał nowy pierwiastek chemiczny – ruten. I ponownie wysłał list do I. Bercelliusa, ale ten po raz pierwszy nie zgodził się z argumentami Klausa. Jednak rosyjski chemik nie posłuchał argumentów Bercelliusa i udowodnił, że odkrył nowy pierwiastek chemiczny z grupy platynowców. A w 1845 roku Bercellius uznał odkrycie rutenu.

Nazwa pierwiastka chemicznego pochodzi od Rosji (łacińska nazwa Rosji to Ruś)

Na zlecenie Ministerstwa Finansów profesor Uniwersytetu Kazańskiego Karl Karlovich Klaus w 1841 r. rozpoczął poszukiwania sposobu przetworzenia pozostałości rud platyny zgromadzonych w mennicy petersburskiej w celu pełniejszego wydobycia platyny. Rok wcześniej, staraniem rektora Łobaczewskiego, dla laboratorium chemicznego wzniesiono oddzielny dwupiętrowy budynek z ogromną piwnicą, wyposażony w najnowocześniejszy sprzęt.

Klaus ustalił skład pozostałości rud platyny oraz opracował metody oddzielania i otrzymywania czystych metali platynowych. Klaus musiał pokonać wyjątkowe trudności eksperymentalne, biorąc pod uwagę ówczesny poziom wiedzy. Ponadto praca była niebezpieczna dla zdrowia, ponieważ podczas przetwarzania rud wydzielały się wyjątkowo toksyczne substancje.

Wśród wyizolowanych składników Klaus odkrył nieznany wcześniej metal. Badał właściwości samego metalu i jego związków, ze szczególną starannością określił jego masę atomową oraz opracował metodę jego izolacji i oczyszczania. W 1844 roku Klaus opublikował swoje wyniki, nadając nowemu pierwiastkowi chemicznemu ruten nazwę na cześć Rosji. Światowa społeczność naukowa początkowo przyjęła to odkrycie z wątpliwościami, ponieważ wiele elementów zostało „odkrytych” przez pomyłkę.

Dopiero w 1846 roku, kiedy Klaus opublikował nową pracę na temat dalszych badań rutenu, jego odkrycie zostało powszechnie zaakceptowane. Wkrótce kazański profesor otrzymał Nagrodę Demidowa Rosyjskiej Akademii Nauk za badania w dziedzinie metali platynowych. Jego wartość wynosząca 10 000 rubli była wówczas znacznie większa niż obecna Nagroda Nobla.

Laboratorium chemiczne Uniwersytetu Kazańskiego, w którym Klaus pracował w 1842 r. Sto lat później w tym pomieszczeniu rozpoczął swoją pracę przyszły Instytut Kurczatowa.

Otrzymywanie rutenu

Separacja metali platynowych i otrzymanie ich w czystej postaci (rafinacja) jest zadaniem bardzo trudnym, wymagającym dużego nakładu pracy, czasu, drogich odczynników, a także wysokich umiejętności. Obecnie głównym źródłem platynowców jest siarczek miedzi i niklu rudy. W wyniku ich złożonej obróbki wytapiane są tzw. „szorstkie” metale – zanieczyszczony nikiel i miedź. Podczas rafinacji elektrolitycznej metale szlachetne gromadzą się w postaci szlamu anodowego, który kierowany jest do rafinacji.

Istotnym źródłem rutenu do jego ekstrakcji jest jego oddzielenie od fragmentów rozszczepialnych materiałów jądrowych (pluton, uran, tor), gdzie jego zawartość sięga 250 gramów na tonę „spalonego” paliwa jądrowego.

Właściwości fizyczne rutenu.

Pod względem ogniotrwałości (temperatura topnienia 2250 ° C) ruten ustępuje tylko kilku pierwiastkom - renowi, osmowi i wolframowi.

Najcenniejsze właściwości rutenu to ogniotrwałość, twardość, odporność chemiczna i zdolność przyspieszania niektórych reakcji chemicznych. Najbardziej typowymi związkami są te o wartościowościach 3+, 4+ i 8+. Ma tendencję do tworzenia złożonych związków. Stosowany jest jako katalizator, w stopach z platyną, jako materiał na ostre końcówki, na styki, elektrody oraz w biżuterii.

Właściwości chemiczne rutenu.

Ruten i osm są kruche i bardzo twarde. Pod wpływem tlenu i silnych utleniaczy tworzą tlenki RuO4 i OsO4. Są to topliwe żółte kryształy. Opary obu związków mają silny, nieprzyjemny zapach i są bardzo trujące. Obydwa związki łatwo oddają tlen, ulegając redukcji do RuO2 i OsO2 lub do metali. W przypadku zasad RuO4 daje sole (rutenaty). Badania nad rutenem stawiają dziś przed chemikami trzy wyzwania:

Zadanie nr 1: Jak pozbyć się rutenu?

Ruten ma wiele cennych i interesujących właściwości. Pod wieloma właściwościami mechanicznymi, elektrycznymi i chemicznymi może konkurować z wieloma metalami, a nawet z platyną i złotem. Jednak w przeciwieństwie do tych metali ruten jest bardzo delikatny i dlatego nie udało się jeszcze wytworzyć z niego żadnych produktów. Zadanie nr 1 zostało przydzielone naukowcom zajmującym się technologią jądrową.

Radioaktywne izotopy rutenu nie występują w przyrodzie, ale powstają w wyniku rozszczepienia jąder uranu i plutonu w reaktorach elektrowni jądrowych, łodziach podwodnych, statkach oraz podczas wybuchów bomb atomowych. Z teoretycznego punktu widzenia fakt ten jest z pewnością interesujący. Ma nawet szczególną „zapał”: spełniło się marzenie alchemików - metal nieszlachetny stał się szlachetny. Rzeczywiście, obecnie zakłady produkujące pluton wyrzucają dziesiątki kilogramów rutenu, metalu szlachetnego. Jednak praktyczne szkody wyrządzone przez ten proces technologii nuklearnej nie byłyby tego warte, nawet gdyby udało się dobrze wykorzystać cały ruten wytwarzany w reaktorach jądrowych.

Dlaczego ruten jest tak szkodliwy?

Jedną z głównych zalet paliwa jądrowego jest jego powtarzalność. Jak wiadomo, podczas „spalania” bloków uranu w reaktorach jądrowych powstaje nowe paliwo jądrowe - pluton. Jednocześnie powstaje również „popiół” - fragmenty rozszczepienia jąder uranu, w tym izotopy rutenu. Popiół oczywiście należy usunąć.

Ruten zaczyna stopniowo migrować do gruntu, stwarzając niebezpieczeństwo skażenia radioaktywnego w dużych odległościach od zbiornika. To samo dzieje się, gdy fragmenty zakopuje się w kopalniach na dużych głębokościach. Radioaktywny ruten, który (w postaci rozpuszczalnych w wodzie związków nitrozowych) charakteryzuje się wyjątkową mobilnością, czyli, ściślej mówiąc, zdolnością do migracji, może przemieszczać się na bardzo duże odległości wraz z wodami gruntowymi.

Fizycy, chemicy, technolodzy, a zwłaszcza radiochemicy w wielu krajach przywiązują dużą wagę do walki z radioaktywnym rutenem. Na I i II Międzynarodowej Konferencji na temat Pokojowego Wykorzystania Energii Atomowej w Genewie poświęcono temu zagadnieniu kilka raportów. Jednak nadal nie ma powodu, aby uważać walkę z rutenem za zakończoną sukcesem i najwyraźniej chemicy będą musieli pracować znacznie więcej, aby problem ten został przeniesiony do kategorii ostatecznie rozwiązanych.

Zadanie nr 2: Dalsze badania chemii rutenu i jego związków.

Niezwykła doniosłość zadania nr 1 zmusza badaczy do coraz głębszego wnikania w chemię rutenu i jego związków.

Ruten jest pierwiastkiem rzadkim i bardzo śladowym. Jest to jedyny minerał, o którym wiadomo, że powstaje w warunkach naturalnych. To jest lauryt RuS 2 – bardzo twarda, ciężka, czarna substancja, niezwykle rzadka w przyrodzie. W niektórych innych naturalnych związkach ruten jest po prostu zanieczyszczeniem izomorficznym, którego ilość z reguły nie przekracza dziesiątych części procenta. Niewielkie domieszki związków rutenu odkryto w rudach miedzi i niklu kanadyjskiego złoża Sedbury, a następnie w innych kopalniach.

Jedną z najbardziej niezwykłych właściwości chemicznych rutenu są jego liczne stany walencyjne. Łatwość przejścia rutenu z jednego stanu walencyjnego do drugiego oraz obfitość tych stanów prowadzi do niezwykłej złożoności i oryginalności chemii rutenu, która wciąż jest pełna wielu białych plam.

Radziecki naukowiec Siergiej Michajłowicz Starostin całe swoje życie poświęcił badaniu chemii rutenu i jego związków. To on ustalił, że ogromne trudności, jakie pojawiają się przy oddzielaniu rutenu od plutonu i uranu, są związane z powstawaniem i właściwościami kompleksów nitrozowych rutenu.

Niektórzy naukowcy sugerują, że możliwe będzie wyizolowanie polimerów nieorganicznych na bazie nitrozowych kompleksów rutenu.

Kilkadziesiąt lat temu kompleksy rutenu odegrały ważną rolę w teorii chemii, stając się doskonałym modelem, na podstawie którego Werner stworzył swoją słynną teorię koordynacji. Być może polimerowe związki rutenu posłużą za model do tworzenia teorii polimerów nieorganicznych.

Wyzwanie nr 3: Zastosowanie rutenu

Gdzie wykorzystuje się ruten i jakie są perspektywy jego wykorzystania?

Ruten, podobnie jak platyna i pallad, ma właściwości katalityczne, ale często różni się od nich większą selektywnością i selektywnością. Kataliza heterogeniczna wykorzystuje ruten metaliczny i jego stopy. Najskuteczniejsze katalizatory otrzymuje się poprzez osadzanie rutenu na różnych nośnikach o silnie rozwiniętych powierzchniach. W wielu przypadkach stosuje się go łącznie z platyną w celu zwiększenia jej aktywności katalitycznej. Stop rodu, rutenu i platyny przyspiesza utlenianie amoniaku przy produkcji kwasu azotowego. Ruten służy do syntezy kwasu cyjanowodorowego z amoniaku i metanu, w celu otrzymania węglowodorów nasyconych z wodoru i tlenku węgla. Sposób polimeryzacji etylenu na katalizatorze rutenowym został opatentowany za granicą.

Katalizatory rutenowe stały się ważne w reakcji wytwarzania glicerolu i innych alkoholi wielowodorotlenowych z celulozy w drodze uwodornienia.

Związki metaloorganiczne rutenu stosowane są w katalizie jednorodnej do różnych reakcji uwodornienia i pod względem selektywności i aktywności katalitycznej nie ustępują uznanym katalizatorom na bazie rodu.

Główną zaletą katalizatora rutenowego jest jego wysoka selektywność. To właśnie pozwala chemikom wykorzystywać ruten do syntezy szerokiej gamy produktów organicznych i nieorganicznych. Katalizator rutenowy zaczyna poważnie konkurować z platyną, irydem i rodem.

Element nr 44 jest nieco mniej przydatny w metalurgii, ale jest również stosowany w tym przemyśle. Niewielkie dodatki rutenu zwykle zwiększają odporność na korozję, wytrzymałość i twardość stopu. Najczęściej wprowadza się go do metali, z których wykonane są styki do sprzętu elektrotechnicznego i radiowego. Stop rutenu i platyny znalazł zastosowanie w ogniwach paliwowych niektórych amerykańskich sztucznych satelitów Ziemi. Stopy rutenu z lantanem, cerem, skandem i itrem charakteryzują się nadprzewodnictwem. Termopary wykonane ze stopu irydu i rutenu mogą mierzyć najwyższe temperatury.

Wiele można się spodziewać po zastosowaniu powłok rutenowych nakładanych w postaci cienkiej warstwy (folii) na różne materiały i produkty. Taka folia znacząco zmienia właściwości i jakość produktów, zwiększa ich odporność chemiczną i mechaniczną, czyni je odpornymi na korozję, radykalnie poprawia właściwości elektryczne itp. Cienkie powłoki wykonane z metali szlachetnych, w tym rutenu, zyskują w ostatnich latach coraz większe znaczenie w różnych dziedzinach elektroniki, radiotechniki i elektrotechniki, przemyśle chemicznym, a także w jubilerstwie.

Ciekawą właściwość rutenu metalicznego - pochłanianie i przepuszczanie wodoru - można z powodzeniem wykorzystać do ekstrakcji wodoru z mieszaniny gazów i uzyskania ultraczystego wodoru.

Wiele związków rutenu ma korzystne właściwości. Niektóre z nich stosowane są jako dodatki do szkła i emalii jako barwniki trwałe; na przykład chlorki rutenu zwiększają luminescencję luminolu, poliaminy rutenu mają właściwości fluorescencyjne, sól Na2 · 2H2O jest piezoelektrykiem, RuO4 jest silnym środkiem utleniającym. Wiele związków rutenu ma aktywność biologiczną.

„Wieczne” pióro

Stalówki piór wiecznych stale ocierają się o papier i w związku z tym ulegają zużyciu. Aby pióro było naprawdę „wieczne”, końcówka jest lutowana. Niektóre stopy do lutowania „wiecznych” piór zawierają ruten. Oprócz tego stopy te zawierają wolfram, kobalt i bor.

Ruten jest również używany do produkcji stopów na podpory igieł kompasów. Stopy te muszą być twarde, mocne i sprężyste. Wśród minerałów naturalnych takie właściwości posiada bardzo rzadki iryd osmiczny. Do sztucznych materiałów na igły kompasów, obok osmu i irydu, a czasem i innych metali, zalicza się pierwiastek nr 44 – ruten.

Jest kontakt!

W elektrotechnice miedź jest od dawna używana do styków. Jest to idealny materiał do przenoszenia silnych prądów. A co jeśli po pewnym czasie styki pokryją się tlenkiem miedzi? Można je przetrzeć papierem ściernym i znów zabłysną jak nowe. Inaczej jest w przypadku technologii niskoprądowej. W tym przypadku jakakolwiek warstwa tlenku na styku może zakłócić działanie całego układu. Dlatego styki dla małych prądów wykonane są z palladu lub stopu srebra i palladu. Ale te materiały nie mają wystarczającej wytrzymałości mechanicznej. Dodatek niewielkich ilości rutenu (1...5%) do stopów nadaje stykom twardość i wytrzymałość. To samo dotyczy styków ślizgowych, które muszą być odporne na ścieranie.

Ruten czerwony.

Tak nazywa się barwnik nieorganiczny, będący złożonym chlorkiem amonu rutenu, stosowanym w badaniach z zakresu anatomii i histologii (nauki o żywych tkankach). Roztwór tego barwnika po rozcieńczeniu w stosunku 1:5000 barwi substancje pektynowe i niektóre tkaniny na różowe i czerwone odcienie. Dzięki temu badacz jest w stanie odróżnić te substancje od innych i lepiej przeanalizować badany pod mikroskopem przekrój.

Zastosowanie rutenu do uprawy grafenu.

Naukowcy z Brookhaven National Laboratory (USA) wykazali, że podczas epitaksjalnego wzrostu grafenu na powierzchni Ru(0001) tworzą się makroskopowe obszary grafenu. W tym przypadku wzrost następuje warstwa po warstwie i choć pierwsza warstwa jest silnie połączona z podłożem, to druga praktycznie z nim nie oddziałuje i zachowuje wszystkie unikalne właściwości grafenu.
Synteza opiera się na fakcie, że rozpuszczalność węgla w rucie jest silnie zależna od temperatury. W temperaturze 1150°C ruten nasyca się węglem, a gdy temperatura spada do 825°C, węgiel wydostaje się na powierzchnię, w wyniku czego tworzą się wyspy grafenowe o wielkości przekraczającej 100 mikronów. Wyspy rosną i łączą się, po czym rozpoczyna się wzrost drugiej warstwy.