Рутений — химический элемент: описание, история и состав. Свойства рутения и его применение

В Средневековье европейцы Русь называли Рутенией. Для них эти земли были территорией «непокорных племён», «дикарей и язычников», непонятных и непредсказуемых народов.

Наш нынешний герой назван в честь Рутении очень «в точку». Металл до сих пор во многом загадочный, необъясненный и иногда взрывоопасный — как сама Россия. Так что К. Клаус, давший название платиноиду, попал «в яблочко».

Рутений – очень твердый и тугоплавкий, но очень хрупкий металл платиновой группы.

Рутений — свойства благородного металла

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?

Кто виноват?

Совсем недавно ученые Западной Европы всерьез обеспокоили общественность сообщением, что над континентом растет содержание радиоактивного изотопа рутения Ru106. 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.

Как был открыт металл

Рутений попал в сферу интересов ученых к середине 19 века, когда на Урале началась платиновая лихорадка.

Однако история оказалась сложной:

• В 1827 году немецкий химик, профессор Дерптского университета Готфрид Озанн завершил цикл работ по «распаковке» уральской руды. Обнаружилось наличие трех неизвестных науке металлов, которые он назвал полин, полуран, рутений.
• Достижение не нашло отклика у коллег: большинство сочло это ошибкой. А полученное вещество – плохо очищенным платиноидом иридием.
• Повторить опыты Озанна взялся спустя 13 лет Карл Клаус – этнический немец, родившийся в России и ставший профессором Казанского университета. Ему ассистировал польский ученый Анджей Снядецкий.
• Спустя четыре года (1844) они представили около 6 граммов рутения. Так был открыт новый элемент и подтвердились результаты Озанна.
• Ученые исследовали физические, химические свойства, установили атомную массу, количество рутения – 1,1%.

Металл назван в честь страны, где впервые был обнаружен. Так предложил первооткрыватель Готфрид Озанн. Россия заняла место в таблице Менделеева.

Ruthenia – латинизированный вариант топонима Россия. Так государство именовалось Европой до 15 века.

По другой версии, первым изучал этот химический элемент все тот же Снядецкий еще в 1809 году. Он назвал новый элемент вестием – в честь астероида Веста, открытого двумя годами ранее.

Всю жизнь посвятил изучению металла советский ученый С.М.Старостин.

«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.

Металл в природе

По распространенности рутений едва ли не самый редкий из благородных металлов: его доля в земной коре – 1х2-6%. В 200 раз больше вещества содержат метеориты.

Общая масса разведанных запасов рутения оценивается в 5 тыс. тонн.

Минерал находят по следующим маркерам:

• Коренные залежи или россыпи платиноносных пород.
• Месторождения медно-никелевых руд.
• Залежи лаурита и рутенарсенида.

Лаурит и рутенарсенид – собственные минералы рутения. Первый темный, плотный, насыщен рутением. Оба чрезвычайно редки.

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 платиноидов. Его рыночная стоимость на начало 2016-го года всего лишь в 2,7 раза выше цены серебра! Золото 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…

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.

Распространение в природе

Химический элемент рутений характеризуется чрезвычайной редкостью и рассеянностью в природе. В естественной среде он образует единственный известный минерал — лаурит. Это твердое вещество в виде небольших октаэдров железно-черного цвета. Самое богатое и известное месторождение находится на платиновых россыпях острова Борнео (Калимантан). В России ведутся разработки на Среднем и Южном Урале, на Кольском полуострове, в Красноярском и Хабаровском краях.

Во всех остальных природных соединениях количество рутения не превышает 0,1 %. Следы металла обнаружены в некоторых медно-никелевых рудах и кислых магматических породах. Способностью концентрировать и накапливать рутений облают некоторые растения, среди которых выделяются представители семейства бобовых.

Общее содержание элемента в земной коре, по мнению специалистов, не превышает 5 000 тонн.

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).

Где добывается

Рутений добывают там же, где платину или платиноиды:

• ЮАР;
• Зимбабве;
• Россия;
• Китай;
• США.

Главный поставщик сырья – Южно-Африканская Республика.

Ежегодный мировой показатель добычи рутения – 17-21 тонна.

Применение

• 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 также в высокой стойкости к окислению).

Ссылки

• [www.webelements.com/webelements/elements/text/Ru/key.html Рутений на Webelements]
• [n-t.ru/ri/ps/pb044.htm Рутений в Популярной библиотеке химических элементов]
• [onx.distant.ru/elements/44-ru.htm Рутений на onx.distant.ru]
• [elm.e-science.ru/Ru/ Изотопы рутения]
• [www.periodicvideos.com/videos/044.htm Ruthenium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)]
• [www.brightsurf.com/news/headlines/32014/Nano-layer_of_ruthenium_stabilizes_magnetic_sensors.html Nano-layer of ruthenium stabilizes magnetic sensors]

Промышленное получение

Элемент рутений считается благородным, и основным источником металла являются отвальные породы производства платины. Безусловным лидером по добыче рутения (как и платины) выступает Южно-Африканская Республика. Разработку и производство этого металла осуществляют также Россия, Канада и Зимбабве. Кстати, последняя страна занимает второе место в мире по разведанным запасам платиноидов.

Количество поставляемого на рынок рутения колеблется от 17 до 20 тонн в год. Производственный цикл получения элемента длится около 6 недель и представляет собой непрерывную цепь следующих друг за другом термохимических реакций.

Разработана технология получения рутения нейтронным облучением изотопов радиоактивного технеция. Но необходимо отметить, что выделение чистого и устойчивого металла, ввиду его химических свойств, непредсказуемости и недостаточной изученности, остается по-прежнему несбыточной мечтой.

Дальнейшие исследования

Основной проблемой изучения химических и физических свойств рутения является крайне ограниченное содержание этого металла в земной коре. Например, в отходах платинового производства (рабочем материале Клаусса) его содержание — около 1 %. Большинство ученых-химиков признают рутений крайне неблагоприятным веществом для изучения. Обилие тупиковых ситуаций часто заставляет исследователей сворачивать или приостанавливать свои работы.

Всю жизнь посвятил изучению свойств «неудобного» металла и его соединений советский ученый С. М. Старостин. Главным результатом деятельности химика являются выводы о свойствах нитрозокомплексов рутения и связанных с ними трудностях отделения чистого металла от сопутствующих урана и плутония. Что же представляет собой рутений, как химический элемент?

Применение: от химической промышленности до криминалистики

Сразу скажем, что в ювелирном деле платиноид бесполезен.

Хорошо видна крупнокристаллическая структура рутения, образовавшаяся при застывании расплава.

Применение металла в электрохимической и химической промышленности необходимо и оправдано.

• Рутениевые катализаторы используют в системах очистки космических аппаратов.
• Металл применяются в металлургии как легирующая добавка. Такие сплавы необходимы в изготовлении турбин реактивных аппаратов, деталей ракет, работающих в условиях высоких температур.
• Газопоглотительные способности рутения дали возможность изобрести технологии получения графена. Он может использоваться как сверхчувствительный сенсор в обнаружении отдельных молекул веществ. Перспективная область — применение графенов в суперконденсаторах (ионисторах). Фотодетекторы и светодиоды новых типов ждут графенов.
• Поможет рутений криминалистам. Из его соединений получают пудру, способную обнаружить очень слабые следы отпечатков.
• Добавление металла в краску позволит окрашенной поверхности поглощать солнечную энергию — это еще одна отрасль применения металла, солнечная энергетика.
• Покрытие рутением изделий и материалов удлиняет срок их службы.

В общем, на рутений ученые возлагают много надежд.

Промышленность

Главный потребитель металла.

Его забирают следующие отрасли:

• Производство электроники.
• Электрохимия.
• Химическое производство.

Эти направления используют 90% сырья.

Химики ценят металл за инертность и свойства катализатора:

• Он наделен уникальным свойством избирательности в реакциях. За это востребован при синтезировании органических и неорганических веществ.
• В паре с ним каталитическая активность платины повышается.
• Рутениевые соединения используются как суперокислители, пигменты в составе стекла, эмалей.

Без рутения как элемента сплавов не обходятся передовые отрасли:

• Из них делают узлы, контакты приборов повышенной точности для нужд радио-, электро-, аэрокосмической техники, оборонного комплекса. Для этого достаточно 1,1-4,9% рутения в сплаве.
• 0,1% рутения, добавленная к титану, кратно повышает антикоррозионные свойства последнего.
• Рутениево-платиновый симбиоз – материал для изготовления топливных систем, систем по очистке воды на космических кораблях.
• Тугоплавкий металл добавляют в сплавы при изготовлении приборов, замеряющих сверхвысокие температуры.

Чистым рутением покрывают особо важные детали, чтобы сделать их устойчивее механически, химически.

Ювелирное дело

В ювелирных изделиях применение металла двояко: как укрепляющего компонента сплава и прочного покрытия.

Изделия из сплавов с рутениевой лигатурой надежны, прочны, что важно для украшений, испытывающих повышенные нагрузки (кольца, перстни, браслеты).

Покрытие рутением создает на поверхности изделия пленку в гамме оттенков от графита до черноты.

Вместе с родием они создают элитарное чёрное золото.

Элемент Ru

Свойства «казанского» металла во многом типичны для представителей VΙΙΙ (платиновой) группы. Рутений — химический элемент периодической таблицы с атомным номером 44, отличающийся высокой инертностью. Имеет 7 стабильных природных и 20 искусственных изотопов с массовыми числами от 92 до 113.

При нормальной температуре не подвержен окислению и коррозии, воздействию кислот и щелочей. При нагреве свыше 400 °С вступает в реакцию с хлором, при 930 °С — с кислородом. С некоторыми металлами химический элемент рутений образует устойчивые сплавы, называемые интерметаллидами.

В многочисленных соединениях проявляет валентность от нуля до восьми. К наиболее важным относят двуокись и четырехокись рутения, сульфид RuS2 и фторид RuF5.

В чистом металлическом виде обладает свойствами катализатора с высокой избирательной способностью, что позволяет его использовать для синтеза самых различных органических и неорганических веществ. Служит лучшим сорбентом для водорода.

Перспективы производства

Несмотря на то что мировые запасы рутения невелики и составляют 5000 тонн, металл считается отходом. Этот минерал не добывают в чистом виде, а выделяют в ходе платинового производства. Дорогой металл в основном закупается промышленниками, он ценен в настоящее время и будет цениться и дальше. На сегодняшний день известны случаи применения рутения для синтеза алмазов.

Уже сегодня этот благородный металл пытается конкурировать с платиной, иридием и родием. Ученые считают, что в будущем можно многого ожидать от применения рутениевого покрытия, которое увеличивает стойкость изделия к коррозии, механическим и химическим повреждениям. Такое уникальное свойство металла, как возможность к сорбированию и пропусканию водорода, в дальнейшем может применяться для получения чистого водорода.

Чем интересен для ученых

Рутений околдовывал многие поколения ученых. Выяснилось, что некоторые его характеристики почти копируют платиноиды родий и осмий, другие – железо.

Но и через почти двести лет после открытия элемента вопросы остаются:

• Главное препятствие создает валентность. У рутения она восьми видов. Это не самое «страшное». Во время опытов валентность спонтанно, неожиданно меняется.
• Нестандартны каталитические возможности. Ручаться за исход процесса сложно: металл сам «решает», какому элементу помогать ускоряться, какому нет.

Поэтому не удается пока получить стойкий чистый металл.

Эти обстоятельства только раззадоривают ученых, особенно молодежь. Они намерены приручить своенравный металл. Особо привлекательные направления – полное и экономически оптимальное извлечение элемента из минералов, шлама, ядерных отходов.

Биологическое воздействие

Как и платина, нанодозы рутения присутствуют в тканях биологических организмов (у человека это мышцы).

Металл, его соединения биологически активны. Данное свойство используют дерматологи, онкологи, фтизиатры.

На особом счету неорганический краситель, известный как «рутениевый красный». Он контрастно выделяет ткани, другие биологические субстанции, исследуемые под микроскопом.

Однако есть опасные для человека соединения:

• Диоксид. Весьма ядовит, вызывает рвоту, приступы удушья. Провоцирует аллергию, язвы на слизистых оболочках.
• Четырехвалентная окись. Воздействия органики (например, спирта) или нагрева выше 100°С достаточно, чтобы прогремел взрыв.

Это нужно учитывать, если в семье есть поклонники домашних химических опытов. Такие субстанции хранят в специальных емкостях.

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).

Примечания

1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu.
   [iupac.org/publications/pac/85/5/1047/ Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report)] (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
2. ↑ 1234Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.).
   Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 285-286. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
3. ↑ 12Соловьев Ю. И.
   Исследования К. К. Клауса по химии платиновых металлов. Открытие рутения // История химии в России: Научные центры и основные направления исследований. — М.: Наука, 1985. — С. 140—147.
4. (1844) «[books.google.com/books?id=DegAAAAAYAAJ&pg=PA211-IA66 Découverte d’un nouveau métal. Lettre de M. le professeur CLAUS de Kazan à M. HESS (Lu le 13 septembre 1844.)]». Bulletin de la classe physico-mathématique de l’Académie impériale des Sciences de St.- Pétersbourg3
   .
5. Об открытии нового металла // Горный журнал. Часть I. Книжка II. — 1845. — С. 265—273.
6. [n-t.ru/ri/ps/pb044.htm Популярная библиотека химических элементов. Рутений]
7. [www.phyche.ac.ru/wp-content/uploads/int_2009_11_12.pdf История науки и техники ]
8. [www.metalresearch.ru/page37.html Рынок металлов платиновой группы 2010: родий, иридий, рутений, осмий.]. metalresearch.ru. Проверено 11 июля 2013. [www.webcitation.org/6I7zy9lsc Архивировано из первоисточника 15 июля 2013].
9. Emsley, J. (2003). «Ruthenium». Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. pp. 368—370. ISBN 0-19-850340-7.
10. [www.infomine.com/investment/metal-prices/ruthenium/ Ruthenium Prices and Ruthenium Price Charts] (27 мая 2016).
11. [en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ruthenium_red&oldid=678184093 Ruthenium red] (англ.) // Wikipedia, the free encyclopedia.

Интересные факты

С металлом серебристого цвета связано много интересных фактов.

• Рутений – это единственный металл, который в России вывели путем извлечения из минерального сырья.
• До настоящего времени ни у кого не получалось добыть 100% устойчивый рутений, так как элемент характеризуется высокой химической активностью.
• Рутений – очень тугоплавкий металл, в этой характеристике ему уступают только рений, осмий, молибден, иридий, вольфрам, тантал, ниобий.
• Уникальность рутения заключается в его многовалентности, он имеет возможность к проявлению в 9 разных валентностях.
• Данный благородный металл невозможно растворить в кислоте и «царской водке».
• Этот элемент считается единственным, который имеет возможность к связыванию воздушного азота в химическое соединение. Такую способность имеют некоторые виды бактерий.
• В природе встречается одно вещество с рутением – лаурит.
• Относительно большое количество рутения находится в России, Канаде и США.
• Рутений – это редкий высоковалентный металл с уникальными свойствами. Его высший оксид считается довольно ядовитым веществом.

В виде сильного окислителя рутений способен вызвать возгорание пожароопасных веществ.

Источники

• https://himya.ru/rutenij.html
• https://jgems.ru/metally/rutenij
• https://vplate.ru/metally-i-splavy/o-rutenii/
• https://chem.ru/rutenij.html
• https://your-online.ru/electronic-formulas/Ru
• https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Ru
• https://FB.ru/article/356482/ruteniy—himicheskiy-element-opisanie-istoriya-i-sostav
• https://TheMineral.ru/metally/rutenij
• https://himsnab-spb.ru/article/ps/ru/

Физиологическое действие

Является единственным платиновым металлом, который обнаруживается в составе живых организмов (по некоторым данным — ещё и платина). Концентрируется в основном в мышечной ткани. Высший оксид рутения крайне ядовит и, будучи сильным окислителем, может вызвать возгорание пожароопасных веществ.