Історія відкриття хімічного елемента рутеній. Що ми повинні знати про рутенію

Для початку кілька фактів, що характеризують особливе положення рутенію серед усіх хімічних елементів.

Рутеній – один із аналогів платини. Він найлегший і, якщо можна так висловитися, найнеблагородніший з платинових металів.

Рутеній – «багатовалентний» елемент: він може існувати принаймні в дев'яти валентних станах.

Рутеній – перший елемент, який дозволяв зв'язати азот повітря в хімічну сполуку (комплексну сполуку рутенію), подібно до того, як це роблять деякі бактерії. Ще 1962 р. одному з авторів цієї статті вдалося отримати комплексну сполуку рутенію з молекулярним азотом. Склад цього комплексу [(NO)(NH 3) 4 RuN 2 ,Ru(NH 3) 4 (NO)]Cl 6 . У 1965 р. канадський вчений Альберт Аллен отримав простіше з'єднання (теж комплексне) Cl 2 .

Рутеній утворюється під час роботи ядерних реакторів і вибуху атомних бомб. Це один з найбільш неприємних осколкових елементів.

Рутеній – елемент, відкритий нашій країні 1844 р. і названий на честь нашої країни. Ruthenia - латиною Росія. Автором відкриття був професор Казанського університету Карл Карлович Клаус.

рутінь ставить сьогодні перед хіміками як мінімум три проблеми. Про них і буде розказано у цій статті.

Проблема №1: як позбутися рутенію

Рутенія має чимало цінних і цікавих властивостей. За багатьма механічними, електричними і хімічними характеристиками він може змагатися з багатьма металами і навіть із платиною та золотом. Однак на відміну від цих металів рутеній дуже тендітний, і тому виготовити з нього будь-які вироби поки що не вдається. Очевидно, крихкість і неподатливість рутенія механічної обробки пояснюються недостатньою чистотою зразків, що піддаються випробуванням. Фізичні властивості цього металу дуже сильно залежать від способу отримання, а виділити рутен високої чистоти поки що не вдалося нікому. Спроби отримати чистий рутеній спіканням у брикетах, зонною плавкою та іншими методами не призвели до позитивних результатів. Тому досі точно не встановлені такі технічно важливі характеристики, як межа міцності при розтягуванні та відносне подовження при розриві. Лише нещодавно точно визначено температуру плавлення рутенію – 2250°C, а точка його кипіння лежить десь у районі 4900°C. Металевий рутеній дуже активно сорбує водень. Зазвичай еталоном водневого сорбенту вважається паладій, кубічний сантиметр якого поглинає 940 см 3 водню. Поглинальна здатність рутенію вище. Він сорбує 1500 об'ємів водню.

Ще одна важлива властивість рутенію: при температурі 0,47°К він стає надпровідником.

Компактний металевий рутеній не розчиняється в лугах, кислотах і навіть у киплячій царській горілці, але частково розчиняється в азотній кислоті з добавками сильних окислювачів перхлоратів або броматів. рутінь можна розчинити в лужному середовищі гіпохлоритами або в кислому середовищі електрохімічним методом.

При нагріванні на повітрі рутеній починає частково окислюватись. Максимальна швидкість окиснення спостерігається за 800°C. До температури 1000°C рутеній завжди окислюється тільки в двоокис RuO 2 , але якщо нагрівати його до 1200°C і вище, він починає перетворюватися на летючий чотирикіс RuO 4 , виявляючи вищу валентність 8+.

RuO 4 – дуже цікаве з'єднання. У звичайних умовах це золотисто-жовті голкоподібні кристали, які вже при 25°C плавляться, перетворюючись на коричнево-оранжеву рідину зі специфічним запахом, схожим на запах озону. При зіткненні з найменшими слідами більшості органічних речовин чотирикіс рутенія моментально вибухає. У той же час вона добре розчиняється в хлороформі та чотирихлористому вуглеці. RuO 4 отруйна: при тривалому вдиханні її парів у людини починає крутитися голова, бувають напади блювоти та ядухи. У деяких хіміків, що працювали з чотихокисом рутенію, розвивалася екзема.

Здатність рутенію до утворення чотирихокісу зіграла істотну роль хімії цього елемента. Шляхом переведення в летючу RuO 4 вдається відокремити рутеній від інших благородних і неблагородних металів і після її відновлення отримати найчистіший рутеній. Цим самим способом видаляють з родію, іридію і платини домішки рутенію.

Але не металургія зробила проблему боротьби з рутенієм настільки актуальною. Проблему №1 поставлено перед вченими атомною технікою.

Радіоактивні ізотопи рутенію в природі не існують, але вони утворюються в результаті поділу ядер урану та плутонію в реакторах атомних електростанцій, підводних човнів, кораблів при вибухах атомних бомб. Більшість радіоактивних ізотопів рутенію недовговічні, але два – рутеній-103 та рутеній-106 – мають досить великі періоди напіврозпаду (39,8 діб та 1,01 року) і накопичуються в реакторах. При розпаді плутонію ізотопи рутенію становлять до 30% загальної маси всіх осколків поділу. З теоретичної точки зору цей факт, безумовно, цікавий. У ньому навіть є особлива «родзинка»: здійснилася мрія алхіміків – неблагородний метал перетворився на шляхетний. Справді, у наші дні підприємства з виробництва плутонію викидають десятки кілограмів благородного металу рутенію. Але практична шкода, яку завдає цей процес атомній техніці, не окупилася б навіть у тому випадку, якби вдалося застосувати з користю весь рутеній, отриманий в ядерних реакторах.

Чим же такий шкідливий рутеній?

Одна з головних переваг ядерного палива – його відтворюваність. Як відомо, при «спалюванні» уранових блоків у ядерних реакторах утворюється нове ядерне пальне – плутоній. Одночасно утворюється і «зола» – уламки розподілу ядер урану, зокрема й ізотопи рутенію. Попелю, природно, доводиться видаляти. Мало того, що ядра осколкових елементів захоплюють нейтрони і обривають ланцюгову реакцію, вони ще створюють рівні радіації, які значно перевищують допустимі. Основну масу осколків відокремити від урану та плутонію відносно легко, що й робиться на спеціальних заводах, а ось радіоактивний рутен доставляє багато неприємностей.

Плутоній, невитрачений уран та уламки поділяють на спеціальних установках. Перша стадія поділу – розчинення уранових блоків у азотній кислоті. Тут і починаються неприємності з рутенієм. При розчиненні частина його перетворюється на комплексні нітрозосполуки, в основі яких тривалентне угруповання (RuNO) 3+ . Це угруповання утворює в азотній кислоті комплексні сполуки різноманітного складу. Вони взаємодіють між собою або з іншими іонами, що знаходяться в розчині, гідролізуються або об'єднуються в неорганічні полімерні молекули. Комплекси зовсім різні, але поділити та ідентифікувати їх дуже важко. Нескінченна різноманітність властивостей нітрозосполуки рутенія ставить перед хіміками і технологами безліч найскладніших питань.

Існує кілька методів відокремлення осколків від плутонію та урану. Один із них іонообмінний. Розчин, що містить різні іони, проходить через систему іонообмінних апаратів. Сенс цієї операції полягає в тому, що уран та плутоній затримуються іонітами в апаратах, а інші елементи вільно проходять через всю систему. Однак рутеній йде лише частково. Частина його залишається на іонообміннику разом із ураном.

В іншому методі - осаджувальному - уран переводиться в осад спеціальними реактивами, а уламки залишаються в розчині. Але разом із ураном в осад переходить і частина рутенію.

При очищенні методом екстракції уран вилучається з водяного розчину органічними розчинниками, наприклад ефірами фосфорорганічних кислот. Осколки залишаються у водній фазі, але не всі – рутеній частково переходить в органічну фазу разом із ураном.

Проблем очищення ядерного палива від рутенію намагалися уникнути, застосовуючи сухі методи, що виключають розчинення уранових блоків. Замість азотної кислоти їх обробляли фтором. Передбачалося, що уран при цьому перейде в леткий гексафторид і відокремиться від нелетких фторидів осколкових елементів. Але Рутеній і тут залишився вірним собі. Виявилося, він також утворює леткі фториди.

Труднощі з рутенням переслідують технологів і на наступних стадіях роботи з матеріалами, що діляться. При уловлюванні осколків з скидних розчинів більшу частину сторонніх елементів вдається перевести в осад, а рутеній знову ж таки частково залишається в розчині. Не гарантує його видалення та біологічне очищення, коли скидні розчини зливають у спеціальні безстічні водойми.

Рутен починає поступово мігрувати в грунт, створюючи небезпеку радіоактивного забруднення на великих відстанях від водойми. Те саме відбувається при похованні осколків у шахтах на великій глибині. Радіоактивний рутеній, що володіє (у вигляді розчинних у воді нітрозосполуки) надзвичайною рухливістю, або, правильніше сказати, міграційною здатністю, може піти з ґрунтовими водами дуже далеко.

Проблема очищення – дезактивація обладнання, одягу та ін. - Від радіорутенію також має свою специфіку. Залежно від того, в якому хімічному стані знаходився рутеній, його або вдається легко відмити і видалити, або він дезактивується насилу.

Боротьбі з радіоактивним рутенням приділяють багато уваги фізики, хіміки, технологи та особливо радіохіміки багатьох країн. На I та II Міжнародних конференціях з мирного використання атомної енергії у Женеві цій проблемі було присвячено кілька доповідей. Проте досі немає підстав вважати боротьбу з рутенням закінченою успішно, і, мабуть, хімікам доведеться ще чимало попрацювати для того, щоб цю проблему можна було перевести до категорії остаточно вирішених.

Проблема №2: подальше вивчення хімії рутенію та його сполук

Надзвичайна актуальність проблеми №1 змушує дослідників дедалі глибше проникати в хімію рутенію та її сполук. Відкриття радіорутенію в продуктах поділу ядерного пального послужило потужним поштовхом для численних робіт з хімії рутенію, зробило його об'єктом пильної уваги. Раніше ним займалися не так вже й багато.

У 1844 р. професор хімії Казанського університету Карл Карлович Клаус отримав із сирої платини 6 г невідомого сріблясто-білого металу, визначив його атомну масу, основні фізико-хімічні константи та окремі властивості деяких його сполук. Рутен став 57-м елементом, відомим хімікам.

Розробкою окремих питань хімії рутенію в різні роки займалися багато відомих хіміків: Берцеліус, Сент-Клер Девіль, Дебре, Ремі, Вернер та ін. Було встановлено, що за деякими хімічними властивостями рутеній близький до заліза, а за іншими – до родію і особливо до родію осмію, що він може виявляти кілька валентностей, що стійкий окис рутенію має формулу RuО 2 .

рутінь - рідкісний і дуже розсіяний елемент. Відомий єдиний мінерал, який він утворює у природних умовах. Це лаурит RuS 2 - дуже тверда важка речовина чорного кольору, що зустрічається в природі дуже рідко. У деяких інших природних сполуках рутеній – лише ізоморфна домішка, кількість якої, як правило, не перевищує десятих часток відсотка. Невеликі домішки сполук рутенію були виявлені в мідно-нікелевих рудах канадського родовища Седбері, а потім і на інших копальнях.

Академік А.Є. Ферсман знайшов сліди рутенію у вивержених кислих породах та багатьох мінералах. Однак питання про розсіювання рутенію при руйнуванні гірських порід та його подальшу долю досі до кінця не вивчено. Його рішення ускладнюється тим, що рутеній, з одного боку, дає важкорозчинні оксиди, які накопичуються в залишках гірських порід, а з іншого боку, мінеральні та поверхневі води розчиняють частину рутенію, він переходить у розчин та розсіюється. Сильні адсорбенти та біохімічні агенти можуть знову концентрувати рутенії з розчинів. Так, підвищені концентрації рутенію виявлені в мінералі піролюзиті MnO 2 . Здатність накопичувати цей елемент мають також деякі види рослин, зокрема він концентрується в корінні бобових.

Одна з найпрекрасніших хімічних властивостей рутенію – його численні валентні стани. Легкість переходу рутенію з одного валентного стану в інший і розмаїтість цих станів призводять до надзвичайної складності та своєрідності хімії рутенію, яка досі рясніє безліччю білих плям.

Подивіться, як численні сполуки рутенію, представлені нижче, скільки серед них складних і ще мало вивчених сполук (символом М позначені одновалентні метали).

Дуже небагато вчених систематично займалися хімією рутенію. Деякі з них опублікували по одній-дві роботи і зайнялися іншими елементами, а інші, не в силах впоратися з лавиною нових і нових питань, що виникають, залишали свої роботи з рутенію навіть не доведеними де кінця. Саме тому ми вважаємо себе зобов'язаними згадати в цій статті ім'я дуже рано померлого радянського вченого Сергія Михайловича Старостіна, який все своє життя присвятив вивченню хімії рутенію та його сполук. Це він встановив, що великі труднощі, що виникають при відділенні рутенію від плутонію та урану, пов'язані з утворенням та властивостями нітрозокомплексів рутенію.

Але повернемося до численних валентностей рутенію. Ознайомившись із його сполуками, ви зустрілися з дев'ятьма валентностями – від нуля до восьми. Здавалося б, значно більше! Але це ще не все. Рутеній здатний і до утворення з'єднань з кратними зв'язками, у створенні яких бере участь не одна, а кілька пар електронів. Крім ковалентних зв'язків, що утворюються завдяки спаровування вільного електрона рутенію з електроном будь-якого іншого атома, цей елемент може утворювати і складніші – дативні та донорно-акцепторні зв'язки. Наприклад, встановлено, що в з'єднанні K 4 (Ru 2 ОCl 10) · H 2 O зв'язок Ru ↔ O ↔ Ru (2 · 1,8 Å) кратна. Вона коротша і міцніша, ніж одинарна Ru – О.

В утворенні нітрозосполуки рутенію беруть участь зв'язки всіх трьох видів. Присутність у цих сполуках нітрозогрупи призводить до утворення рутенням дуже стійкої 18-електронної конфігурації інертного газу криптону, що пояснює надзвичайно високу хімічну та термічну стійкість нітрозокомплексів рутенію – сполук, що становлять найбільший інтерес для атомної техніки. Валентність рутенію у його нітрозокомплексах слід вважати рівною чотирьом; це найбільш стійка валентна форма рутіння.

Крім іншого, рутеній може утворювати довголанцюгові полімерні молекули. Він характерно освіту ланцюгів, аналогічних силіконовим: – Ru – Про – Ru – O – Ru – O –. Крім того, доведено існування полімерних сполук, побудованих так:

Деякі вчені припускають, що вдасться виділити і неорганічні полімери на основі нітрозокомплексу рутенію.

Декілька десятиліть тому комплексні сполуки рутенію послужили теорії хімії важливу службу, ставши чудовою моделлю, за допомогою якої Вернер створив свою знамениту координаційну теорію. Можливо, полімерні сполуки рутенію послужать моделлю і створення теорії неорганічних полімерів.

Проблема №3: ​​отримання та використання рутенію

Незважаючи на малу поширеність у природі та обмежені масштаби видобутку рутенію, цей елемент ніяк не назвеш безробітним.

Рутеній – найнешляхетніший з платинових металів, проте йому властива більшість їх властивостей. Більше того, він має й низку специфічних властивостей. З кожним роком дедалі більше розширюються сфери застосування рутенію. У зв'язку з цим виникає проблема №3, діаметрально протилежна проблемі №1, – як збільшити виробництво рутенію, знайти нові, ефективніші способи його вилучення з напівпродуктів міднонікелевого виробництва, де цей елемент присутній спільно з іншими благородними та неблагородними металами. У даному випадку на порядок денний знову постає проблема №2. Дійсно, щоб ефективно витягувати рутеній, потрібно добре знати хімію його сполук, особливості поведінки у розчинах та різних процесах. Використовуючи електрохімічні методи, екстракцію та осадження, навчилися виділяти та відокремлювати рутенпй від усіх супутніх елементів.

Де ж використовується рутеній та які перспективи його застосування?

Рутеній, так само як платина і паладій, має каталітичні властивості, але часто відрізняється від них більшою селективністю і вибірковістю. У гетерогенному каталізі використовуються металевий рутеній та його сплави. Найбільш ефективні каталізатори виходять при нанесенні рутенію на різні носії з сильно розвиненими поверхнями. У багатьох випадках його застосовують разом із платиною для того, щоб збільшити її каталітичну активність. Сплав родію, рутенію та платини прискорює окислення аміаку у виробництві азотної кислоти. Рутеній застосовують для синтезу синильної кислоти з аміаку та метану, для отримання граничних вуглеводнів з водню та окису вуглецю. За кордоном запатентований спосіб полімеризації етилену на рутенієвому каталізаторі.

Важливе значення набули рутенієві каталізатори для реакції одержання гліцерину та інших багатоатомних спиртів із целюлози шляхом її гідрування. Відомий радянський вчений академік О.О. Баландин та його співробітники за допомогою рутенію зуміли перетворити на цінні хімічні продукти тирсу, кукурудзяні качанчики, лушпиння від насіння соняшника та коробочки бавовнику. У пресі промайнуло повідомлення про те, що рутенії каталізатор був успішно застосований при синтезі алмазів.

Металорганічні сполуки рутенію знаходять застосування в гомогенному каталізі для різних реакцій гідрування, причому за селективністю та каталітичною активністю вони не поступаються визнаним каталізаторам на основі родію.

Головна перевага рутенія-каталізатора у його високій вибірковій здатності. Саме вона дозволяє хімікам використовувати рутеній для синтезу найрізноманітніших органічних та неорганічних продуктів. Рутеній-каталізатор починає серйозно конкурувати з платиною, іридієм та родієм.

Дещо менше можливості елемента №44 у металургії, але його застосовують і в цій галузі. Невеликі добавки рутенію зазвичай збільшують корозійну стійкість, міцність та твердість сплаву. Найчастіше його вводять у метали, з яких виготовляють контакти для електротехніки та радіоапаратури. Сплав рутенію з платиною знайшов застосування у паливних елементах деяких американських штучних супутників Землі. Сплави рутенія з лантаном, церієм, скандією, ітрієм мають надпровідність. Термопари, виготовлені зі сплаву іридію з рутенієм, дозволяють вимірювати найвищі температури.

Багато чого можна очікувати і від використання рутенових покриттів, нанесених у вигляді тонкого шару (плівки) на різні матеріали та вироби. Подібна плівка суттєво змінює властивості та якість виробів, підвищує їхню хімічну та механічну стійкість, робить їх корозійно-стійкими, різко покращує електричні властивості тощо. Тонкі покриття з благородних металів, і в тому числі з рутенію, в останні роки набувають все більшого значення в різних галузях електроніки, радіо- та електротехніки, хімічної промисловості, а також у ювелірній справі.

Цікава властивість металевого рутенію – сорбувати та пропускати водень – з успіхом може бути використана для вилучення водню із суміші газів та отримання надчистого водню.

Корисні властивості мають багато сполук рутенію. Деякі їх використовують як добавок у скла і емалі як стійкі барвники; хлориди рутенію, наприклад, збільшують люмінесценцію люмінолу, поліаміни рутенію мають флюоресцентні властивості, сіль Na 2 · 2H 2 O є п'єзоелектриком, RuО 4 - найсильніший окислювач. Багато сполук рутенію мають біологічну активність. В одних випадках вони викликають алергічні реакції та екземи, але описані випадки, коли їх використовують для лікування шкірних захворювань та раку. Висловлено припущення, що в живій природі сполуки рутенію служать каталізаторами у процесах зв'язування молекулярного азоту повітря в амінокислотах.

І нарешті, говорячи про застосування рутенію, не можна не згадати про використання його радіоактивних ізотопів у наукових дослідженнях, особливо при вирішенні спірних питань хімії самого рутенію. Тут елемент №44 зрештою бореться сам із собою і для себе. Адже і шлях до остаточного вирішення проблеми очищення ядерного пального від радіорутіння, і розробка способів ефективного вилучення рутенію з руд проходять через поглиблене пізнання властивостей та особливостей цього складного та незвичайного елемента.

«Вічне» перо

Пір'я авторучок постійно труться об папір і тому сточуються. Щоб зробити перо справді "вічним", на кінчику його роблять напайку. До складу деяких сплавів для напаювання «вічного» пір'я входить рутеній. Крім нього, у цих сплавах містяться вольфрам, кобальт, бор.

Рутен застосовують також при виготовленні сплавів для опор компасних голок. Ці сплави мають бути твердими, міцними та пружними. З природних мінералів такі властивості має дуже рідкісний осмистий іридій. У штучні матеріали для компасних голок разом з осмієм та іридієм, а іноді й іншими металами, входить елемент №44 – рутеній.

Є контакт!

У електротехніці для контактів давно використовується мідь. Вона – ідеальний матеріал для передачі сильних струмів. Що з того, що за певний час контакти покриваються окисом міді? Їх можна протерти шкіркою і вони знову заблищать, як повені. Інша річ у слаботочній техніці. Тут будь-яка окисна плівка на контакті може порушити роботу системи. Тому контакти для слабких струмів роблять із паладію або срібно-палладієвого сплаву. Але ці матеріали не мають достатньої механічної міцності. Добавка до сплавів невеликих кількостей рутенію (1...5%) надає контактам твердості та міцності. Те саме стосується і ковзних контактів, які повинні добре протистояти стирання.

Рутенева червона

Так називається неорганічний барвник, що є комплексним аміачним хлоридом рутенію. Запропоновано кілька формул цієї речовини, але жодна з них не відображає її складу точно. Для фарбування тканин цей барвник не використовують - він занадто дорогий. Рутенію червону застосовують при дослідженнях в анатомії та гістології (науці про живі тканини). Розчин цього барвника при розведенні 1:5000 забарвлює в рожеві та червоні тони пектинові речовини та деякі тканини. Завдяки цьому дослідник отримує можливість відрізнити ці речовини від інших і краще проаналізувати зріз, що розглядається під мікроскопом.

Історія

походження назви

Отримання

Рутенії отримують як «відходи» при афінуванні платини та платинових металів.

Значним джерелом рутенію для його видобутку є виділення його з уламків поділу ядерних матеріалів (плутоній, уран, торій), де його вміст у відпрацьованих ТВЕЛ досягає 250 грамів на тонну відпрацьованого ядерного палива.

Також розроблено технологію отримання рутенію з технецію-99 за допомогою нейтронного опромінення молібдену.

Видобуток, запаси та ціна

Фізичні та хімічні властивості

Ізотопний склад

Природний рутеній складається з семи стабільних ізотопів:

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

Фізичні властивості

За тугоплавкістю ( Тпл = 2334 ° C ) рутений поступається лише кільком елементам - ренію , осмію , молібдену , іридію , вольфраму , танталу і ніобію .

Хімічні властивості

рутінь - дуже інертний метал.

Неорганічні сполуки

Органічна хімія рутенію

Рутен утворює ряд металоорганічних сполук і є активним каталізатором.

Застосування

• Невелика добавка рутенію (0,1%) збільшує корозійну стійкість титану.
• У сплаві з платиною використовують для виготовлення надзвичайно зносостійких електричних контактів.
• Діоксид рутенію та рутенати вісмуту використовуються в товстоплівкових резисторах. Ці два застосування в електроніці споживають близько 50% рутенія.
• Каталізатор для багатьох хімічних реакцій. Дуже важливе місце рутенію як каталізатора в системах очищення води орбітальних станцій.
• Рутеній червоний en застосовується як конкурентний антагоніст для дослідження іонних каналів (CatSper1, TASK, RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6, TRPA1, mCa1.

Унікальна також здатність рутенію до каталітичного зв'язування атмосферного азоту при кімнатній температурі. Відкриття, зроблене експериментальним шляхом дослідниками з університету Міннесоти у 2018 році, демонструє те, що хімічний елемент рутеній є четвертим хімічним елементом, що має унікальні магнітні властивості при кімнатній температурі. До останнього часу людям були відомі лише три стабільні магнітні елементи, залізо (Fe), кобальт (Cо), нікель (Ni) і, частково, гадоліній (Gd), який втрачає магнітні властивості при температурі вище 8 градусів Цельсія. Виявлення нового магнітного матеріалу може призвести до розробки нових типів датчиків, пристроїв зберігання, обробки інформації та інших електронних і електромеханічних пристроїв. Крім традиційних технологій, у яких використовуються магнітні властивості матеріалів, поява нового магнітного матеріалу може відіграти важливу роль для подальшого розвитку низки нових напрямків, таких як спинтроніка. Цьому сприятиме те, що технології вирощування тонких плівок і створення наноструктур вже дійшли до того рівня, який дозволяє виробляти матеріали, що мають унікальні властивості, які не мають ті ж матеріали природного походження.

Рутеній та його сплави знаходять застосування як жароміцних конструкційних матеріалів в аерокосмічній техніці, і до 1500°C за міцністю перевершують кращі сплави молібдену та вольфраму (маючи перевагу також у високій стійкості до окислення).

Фізіологічна дія та біологічна роль

Рутеній, мабуть, є мікроелементом. Він є єдиним платиновим металом, який виявляється у складі живих організмів (за деякими даними – ще й платина). Концентрується переважно у м'язовій тканині.

Вже кілька днів мусується в ЗМІ тема про рутіння. Не буду її переказувати – думаю ви в курсі.

Так що це таке, чи це було і якщо було, то чим небезпечно?

Що таке рутенія і де його застосовують?

Рутеній – це платиновий метал. Наразі відомо сім стабільних та 27 радіоактивних ізотопів рутенію.

Рутеній використовують у сплавах для збільшення зносостійкості - наприклад, у титані частка рутенію становить 0,1%, а при виробництві електричних контактів рутеній сплавляють із платиною. Сплави рутенію надзвичайно стійкі до високої температури, тому вони використовуються в аерокосмічній техніці як конструкційні матеріали. Сполуки рутенію застосовуються в ювелірній справі, в електроніці – зокрема, у тонкоплівкових резисторах (це становить 50% усіх випадків застосування рутенію), а також у сонячних батареях. Крім того, цей метал є важливим каталізатором для хімічних реакцій: наприклад, з його допомогою на орбітальних станціях очищають воду.

Як відкрили рутенії?

Фактично, цей елемент відкривали тричі. Але офіційно відкриття належить професору Казанського університету Карлу Клаусу. У 1844 році вчений досліджував залишки, отримані після вилучення платини і платинових металів з руди. Ці залишки Клаус сплавив із селітрою. Частину отриманого сплаву, яка не розчинялася у воді, він піддав впливу царської горілки - суміші азотної та соляної кислоти, яка розчиняє метали, а те, що залишилося, перегнало насухо. З отриманої речовини хімік виділив гідроокис заліза у вигляді осаду та розчинив її в соляній кислоті. Темний пурпурно-червоний колір розчину навів його на думку про наявність невідомого елемента. Клаусу вдалося виділити цей елемент - щоправда, над чистому вигляді, а поєднанні з сіркою.

Новий елемент був названий на честь Росії – рутенією (від латів. Ruthenia). Спочатку ідея назви належала іншому вченому, німецькому хіміку Готфрід Озанну - він дав це ім'я одному з трьох платинових металів, отриманих ним також при аналізі уральської платинової руди в 1928 році. Проте відкриття Озанна не підтвердилося під час перевірки. Проте Клаус вважав, що Озанн отримав саме рутеній, і згадав про це. Існує також версія, що елемент на три десятиліття раніше відкрив польський професор Анджей Снядецький – він пропонував назвати метал вісті, на честь астероїда Веста, відкритого в 1807 році.

А що відомо про рутенію-106?

Це радіоактивний ізотоп з періодом напіврозпаду трохи більше року - з усіх нестабільних ізотопів рутенію цей довгоживучий. У природі він відсутній: він з'являється при розподілі урану і плутонію в ядерних реакторах - по суті, це побічний продукт утилізації відпрацьованого ядерного палива (ВЯП). велика цифра.

Основна проблема рутенію-106 у тому, що під час переробки ядерного палива він вступає у стійкі сполуки, які заважають виробництву нової продукції. Хімікам доводиться очищати компоненти від рутенія на кожному етапі технологічного процесу, щоб отримати з ядерного палива, що відпрацювало, нове.

Рутеній-106 використовується у променевій терапії при злоякісних пухлинах очей. Також його можна використовувати в радіоізотопних термоелектричних генераторах, що застосовуються, зокрема в електропостачанні віддалених від Сонця космічних апаратів. Однак для цих цілей на практиці застосовують плутоній-238, ізотопи рутенію ж не використовуються.

Чи небезпечний рутеній-106 для здоров'я?

Рутеній-106, як і будь-яке інше джерело іонізуючого випромінювання, впливає на організм. Він входить у групу Б - другу за радіотоксичністю. До групи А входять особливо небезпечні радіонукліди: полоній-210, радій-226, плутоній-238 та інші альфа-випромінювачі. Від потоку альфа-частинок легко захиститися листом паперу, тому що у них низька проникаюча здатність - але якщо вони все ж таки потрапляють в організм, вони викликають променеву хворобу.

Рутеній-106 є бета-випромінювачем – простіше кажучи, він випромінює потік електронів. У ході бета-розпаду утворюється спочатку родій-106, який миттєво розпадається до стабільного паладію-106. На обох стадіях випускаються електрони, а також невеликий компонент гамма-випромінювання. Якщо бета-частка потрапляє в організм, шкоди від неї в 20 разів менше, ніж від альфа частки - але її здатність проникає вище.

А звідки такий галас з приводу рутенію?

12 жовтня Росгідромет опублікував бюлетень про радіаційну обстановку в Росії за вересень 2017 року, в якому були зазначені випадки підвищення бета-активності у повітрі та під час випадання атмосферних опадів. Зокрема, йшлося про підвищену активність рутенію-106 – наприклад, у мікрорайоні Дема в Уфі 26 — 27 вересня пройшов «рутенівий дощ». Ще раніше, у вересні європейські моніторингові станції зафіксували перевищення вмісту рутенію-106 у повітрі. Німецьке Федеральне відомство із захисту від радіації та Федеральне міністерство з охорони навколишнього середовища, охорони природи та безпеки реакторів припустили, що джерело рутенію знаходиться на Південному Уралі.

І що, це справді небезпечно?

Не такий страшний чорт, як його малюють. Активність рутенію-106 на кілька порядків нижче за гранично допустиму норму і шкоду здоров'ю не несе - це спочатку і підкреслював Росгідромет у своїй заяві.

«Визначити рутеній в атмосфері дуже складно, особливо в таких малих концентраціях», – каже співробітник кафедри радіохімії СПбДУ.

Наприклад, для Аргаяша в бюлетені вказані дані 7,72 х 10 -5 Бк/м3 , тоді як допустиме значення активності рутенію-106 за сучасними стандартами становить 4,4 Бк/м3. Появу ж у звіті даних про перевищення вмісту рутенію-106 у пробах щодо попереднього періоду у «сотні» разів у Росгідрометі пояснили тим, що у попередніх пробах цей радіонуклід взагалі був відсутній. Як пояснює головний редактор порталу «Геоенергетика.ру» Борис Марцинкевич, те, що станції радіологічного контролю змогли зафіксувати такі малі концентрації 106Ru, можна вважати «тестуванням, яке переконливо довело, що станції працюють на хорошому технічному рівні». Міжнародне агентство з атомної енергії (МАГАТЕ) вивчило надані дані та відкинуло звинувачення на адресу Росії.

Крім того, існує безліч природних альфа-, бета-і гамма-випромінювачів.

«Якщо вийти на набережну в Санкт-Петербурзі, там радіаційне тло буде вищим, ніж у нас в лабораторії», - каже співробітник кафедри радіохімії СПбГУ. «Бо граніт від природи має високий радіаційний фон».

А чому активність рутенію-106 раптово зросла?

Достеменно невідомо. Як заявили у Росатомі, великих викидів радіоактивних речовин на російських підприємствах не було. Виробниче об'єднання «Маяк» у свою чергу категорично заперечує причетність до можливого забруднення атмосфери ізотопом рутеній-106. Велике забруднення атмосфери рутенням може відбуватися при порушенні герметичності оболонки тепловиділяючого елемента в реакторі, а також при руйнуванні джерел іонізуючого випромінювання на основі ізотопу. ВО «Маяк» стверджує, що виділення ізотопу з відпрацьованого ядерного палива, як і виготовлення джерел випромінювання на підприємстві не проводяться вже багато років. Більше того, при першому варіанті зазвичай відбувається викид інших, «уламкових» ізотопів, що обов'язково позначилося б на показниках цих елементів.

Кажуть, що рутеній прилетів із космосу – це правда?

"Інтерфакс" опублікував версію, що викид рутенію-106 міг статися при руйнуванні супутника. Однак академік Російської академії космонавтики імені Ціолковського Олександр Железняков каже, що рутеній-106 не використовується в електрогенераторах супутників - і якби такий апарат зводили з орбіти, його траєкторію ретельно відстежували б. Тому ця версія на межі фантастики.

Звідки ж він міг взятися?

Правдоподібним видається припущення завідувача кафедри радіохімії хімічного факультету МДУ імені Ломоносова, член-кореспондента РАН Степана Калмикова. Він вважає, що високочистий розчин радіонукліду міг потрапити в атмосферу з медичного закладу чи підприємства, де працюють чи виробляють радіофармпрепарати. Це могло статися на стадії технічного процесу, де рутеній перетворюється на аерозоль - завдяки летючості він міг поширитися в атмосфері. Хоча інші експерти кажуть, що на витік рутенію, призначеного для медичних цілей (його використовують у променевій терапії), не схоже: хмара надто велика. Але аварію, пов'язану з ядерним паливом або з його відходами, практично виключено, каже експерт.

А віце-губернатор Челябінської області Олег Климов повідомив, що «25 вересня, ще до повідомлень про рутенію в Європі, було зафіксовано концентрацію рутенію на постах контролю на Південному Уралі. Їх розмір у 20 тис. разів менший за допустиму річну дозу. Перевірка показала, що це чистий рутеній, який прийшов до нас з іншого місця, — зазначив Олег Климов. — Ситуація штучно напружена і не має підстав».

Можливо, наляканим європейцям варто шукати джерело в іншій країні? Але, виявляється, у Старому Світі, підприємства, що мають більш-менш відношення до роботи з радіоактивними речовинами, суворо засекречені. У нас все відомо, і жертвами цієї прозорості стали російські метеорологи, які заявили, що так, вміст ізотопів рутенію в двох пунктах збору перевищив фон попереднього місяця в сотні разів. Коли йдеться про радіоактивні речовини, все це виглядає страшно для дилетантів. А фахівець, дивлячись на цифри розуміє, що і в Росії, і в Європі концентрація рутенію-106 була в тисячі разів нижчою за хоч трохи небезпечний рівень. І щоб у майбутньому не лякати людей, вирішили надалі до звітних таблиць вносити порівняння з цими граничними концентраціями.

Навряд чи справу безгоспного рутенію буде розкрито. Радіація тут лише тло для галасу. Адже в лютому над Європою гуляла хмара ізотопу йоду, куди небезпечнішого за рутенії, але хіба хтось чули про це?

джерела

рутінь - елемент побічної підгрупи восьмої групи п'ятого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, атомний номер 44. Позначається символом Ru (лат. Ruthenium).

Історія відкриття цього елемента почалася у Росії, як у 20-х роках ХІХ століття на Уралі було виявлено родовища платини. Звістка про це відкриття швидко облетіла світ і викликала багато тривог та хвилювань на міжнародному ринку. Серед іноземних спекулянтів ходили чутки про жахливі самородки, про платиновий пісок, який платиношукачі черпають прямо лопатами. Родовища платини, справді, виявилися багатими, і граф Канкрін, який на той час був міністром фінансів Росії, дав розпорядження про карбування платинових монет. Монети стали карбувати номіналом в 3,6 і 12 рублів. Було випущено 1400000 платинових монет, на які витратили понад 20 т самородної платини.

У рік розпорядження Канкріна про карбування монет професор Юріївського університету Озанн, досліджуючи зразки уральської платини, дійшов висновку, що платину супроводжують три нові метали. Один із них Озанн назвав напівраном, другий – поліном, а третьому на честь латинської назви. Росії - Рутенія дав ім'я - Рутенія. "Відкриття" Озанна хіміки зустріли із недовірою. Особливо протестував шведський хімік Берцеліус, авторитет якого на той час був справді світовим. Спір, що виник між Озанном і Берцеліусом, взявся вирішити професор хімії Казанського університету К. К. Клаус. Отримавши у своє розпорядження невелику кількість залишків від карбування платинової монети, Клаус виявив у них новий метал, за яким і зберіг назву рутеній, запропоновану Озанном. 13 вересня 1844 р. Клаус зробив в Академії наук повідомлення про новий елемент та його властивості. У 1845 р. доповідь Клауса під назвою "Хімічні дослідження залишків уральської платинової руди та металу рутенію" побачила світ у вигляді окремої книги. "...Мала кількість вивченого матеріалу - не більше шести грамів абсолютно чистого металу - не дозволила мені продовжувати мої дослідження", - писав Клаус у своїй книзі. Однак, отримані дані про властивості нового металу дали можливість Клаусу твердо заявити про відкриття нового хімічного елемента.

Бажаючи ознайомити іноземних учених із відкриттям нового елемента, Клаус надіслав зразок металу Берцеліусу. Відповідь Берцеліуса була щонайменше дивною. Маючи в руках новий елемент із докладним описом властивостей, він не погодився з думкою Клауса. Берцеліус заявив, що отриманий від Клауса метал є "пробою нечистого іридію", давно відомого елемента. Пізніше Берцеліус змушений був визнати свою помилку.

Поділ платинових металів та отримання їх у чистому вигляді (афінаж) - дуже складне завдання, що вимагає великої витрати праці, часу, дорогих реактивів, а також високої майстерності. Самородну платину, платиновий «брухт» та інший матеріал насамперед обробляють «царською горілкою» при слабкому нагріванні. При цьому повністю переходять у розчин платину та паладій у вигляді Н2 та H2, мідь, залізо та нікель - у вигляді хлоридів CuCl2, FeCl3, NiCl2. Частково розчиняються родій та іридій у вигляді H3 та H2. Нерозчинний у «царській горілці» залишок складається із з'єднання осмію з іридієм, а також супутніх мінералів (кварцу SiO2, хромистого залізняку FeCr2O4, магнітного залізняку Fе3О4 та ін.). Відфільтрувавши розчин, з нього осаджують платину хлоридом амонію. Однак, щоб осад гексахлорплатинату амонію не містив іридію, який утворює також важкорозчинний гексахлориридит (IV) амонію (NH4)2 необхідно відновити Ir (IV) до Ir (III). Це роблять додатком, наприклад, очеретяного цукру C12H22O14 (спосіб І.І. Черняєва). Гексахлориридит (III) амонію розчинний у воді та хлоридомамонію не осаджується. Осад гексахлорплатинату амонію відфільтровують, промивають, висушують і прожарюють. Отриману платинову губку спресовують, а потім сплавляють в киснево-водневому полум'ї або в електричній високочастотній печі. З фільтра від гексахлорплатинату амонію витягують паладій, родій ііридій; із сплаву іридію виділяють іридій, осмій та рутеній. Необхідні при цьому хімічні операції дуже складні. В даний час головним джерелом отримання платинових металів є сульфідні мідно-нікелеві руди. В результаті їх складної переробки виплавляють так звані «чорнові» метали – забруднені нікель та мідь. При їхньому електролітичному рафінуванні шляхетні метали накопичуються у вигляді анодного шламу, який направляють на афінаж.

Значним джерелом рутенію для його видобутку є виділення його з уламків поділу ядерних матеріалів (плутоній, уран, торій), де його вміст у відпрацьованих ТВЕЛах досягає 250 грамів на тонну ядерного палива, що згоріло.

По тугоплавкості (Тпл 2250 ° C) рутеній поступається лише кільком елементам - ренію, осмію, вольфраму.

Найбільш цінні властивості Рутенія – тугоплавкість, твердість, хімічна стійкість, здатність прискорювати деякі хімічні реакції. Найбільш характерні сполуки з валентністю 3+, 4+ та 8+. Схильний до утворення комплексних сполук. Застосовується як каталізатор, у сплавах із платиновими металами, як матеріал для гострих наконечників, для контактів, електродів та в ювелірній справі.

Рутень і осмій тендітні і дуже тверді. При дії кисню та сильних окислювачів вони утворюють оксиди RuO4 та OsO4. Це легкоплавкі жовті кристали. Пари обох сполук мають різкий, неприємний запах і дуже отруйні. Обидва сполуки легко віддають кисень, відновлюючись до RuO2 та OsO2 або до металів. З лугами RuO4 дає солі (рутенати): 2Ru04 + 4КОН = 2K2RuO4 + 2Н2O + О2

• Невелика добавка рутенію (0,1%) збільшує корозійну стійкість титану.
• У сплаві з платиною використовують для виготовлення надзвичайно зносостійких електричних контактів.
• Каталізатор для багатьох хімічних реакцій. Дуже важливе місце рутенію як каталізатора в системах очищення води орбітальних станцій.

Унікальна також здатність рутенію до каталітичного зв'язування атмосферного азоту при кімнатній температурі.

Рутеній і його сплави знаходять застосування як жароміцних конструкційних матеріалів в аерокосмічній техніці, і до 1500 ° C за міцністю перевершують кращі сплави молібдену та вольфраму (маючи перевагу так само у високій стійкості до окислення).

В останні роки широко вивчається оксид рутенію як матеріал для виробництва суперконденсаторів електроенергії, питома електрична ємність понад 700 Фарад/грам.

Застосування рутенію для вирощування графену

Дослідники з Brookhaven National Laboratory (США) показали, що при епітаксійному зростанні графену на поверхні Ru(0001) формуються макроскопічні графенові області. При цьому зростання протікає пошарово, і хоча перший шар сильно пов'язаний з підкладкою, другий практично з нею не взаємодіє і зберігає всі унікальні властивості графена.

Синтез заснований на тому, що розчинність вуглецю в рутенії залежить від температури. При 1150 °С рутеній насичується вуглецем, а при зниженні температури до 825 °С вуглець виходить на поверхню, внаслідок чого формуються острівці графену розміром понад 100 мкм. Острівці розростаються і поєднуються, після чого починається зростання другого шару.

Ruthenia латиною означає «Росія». Як і Росія, рутен гарний, загадковий і вкрай незручний для людини. По перше, отримання чистого рутенію – проблема, не вирішена досі. По-друге, рутеній настільки крихкий, що використовувати його в чистому вигляді неможливо. По-третє, рутеній, що у формі різних хімічних сполук, часто буває небезпечним. У тому числі й вибухонебезпечним!

Ну, чим не Росія?

Історія металу

Більшість висловлених професором К.К. Клаусом ідей, які надто сміливі для свого часу, виявилися вірними. Реалізуючи одну з них, у 1844 році Клаус отримує шість грамів металу, раніше невідомого науці і згодом названого рутенією.

Світила світової спільноти відзначали близькість нового металу частково до заліза, частково до осмію. Виникла – і з того часу не зникає – стійка думка, що зі всіх так званих «шляхетних» металів рутеній – найнеблагородніший...

Властивості рутенію

Наявність різниці у властивостях, розуміють вчені, говорить лише про забрудненість зразків. Усвідомлення проблеми частково спантеличує, тому що дієвого способу очищення рутенію від домішок поки немає; а частково – обнадіює, оскільки теоретичні характеристики речовини дуже завидні.

Так чи інакше, сьогодні не вдається позбавити рутеній властивою його виливкам крихкості. Спроби механічної обробки (кування, пресування, різання) закінчуються руйнуванням рутенієвої заготівлі.

Тим часом, виробничники дуже зацікавлені в підкоренні металу: газопоглинальні можливості рутенію неперевершені. Якщо паладій здатний увібрати водню в 940 разів більше свого обсягу, то у рутенії цей показник майже вдвічі вищий! При цьому поглинальна здатність рутенію стосується не лише водню, а й азоту, і – меншою мірою – інших неметалів.

Чотирьохокис рутенію RuO4 (так само, як і дрібнодисперсний родій) настільки хімічно активна, що навіть вибухонебезпечна. Щоправда, і родієва, і рутенева вибухівка – явище дороге.

Ціна та поширеність

Проте обмеженість попиту вносить корективи до прайс-листу дорогоцінних металів. Рутеній - найдешевший з. Його ринкова вартість на початок 2016-го року лише в 2,7 рази вища за ціну дорожчу за рутенію майже в 30 разів – при тому що річний видобуток рутенію рідко перевищує 20 тонн, а золота на світовий ринок надходить 2500 тонн на рік.

Немає справедливості у ціноутворенні! Як її немає і в країні Рутенії...

Куди йде рутеній?

Водоочисні пристрої космічних апаратів працюють на рутенієвих каталізаторах – вони найефективніші. У кольоровій металургії рутеній – цінна легуюча добавка.У концентраціях на рівні десятих і сотих часток відсотка благородний метал у рази підвищує властивості міцності виробів. Турбінні лопаті реактивних двигунів, високотемпературні деталі ракет, паливна апаратура літальних апаратів містять рутенії.

Деякі технології отримання графену ґрунтуються на використанні здатності рутенію поглинати неметали. Рутенія підкладка виявляється надійною основою для вирощування модифікованого вуглецю.

Розтерта в пудру суміш двоокису і чотирихокису рутенію дають можливість криміналістам виявляти відбитки пальців, що слабо розрізняються. Жодні інші сполуки не «впиваються» в молекули жирів з такою силою!

Дуже перспективним видається використання рутенієвої фарби як сонячної батареї. У майбутньому людина зможе утилізувати сонячну енергію за допомогою перетворювача, що носиться у вигляді балончика з фарбою та двох проводків – причому коштувати така система обіцяє справжні копійки.

Проблемний рутеній

До третини шлакової маси в реакторі посідає небезпечний радіорутеній. Видалити надзвичайно «прилипливий» метал дуже складно. Зате при консервації відходів атомної енергетики рутеній першим знаходить вихід із сховищ! Міграція активного рутенію відбувається всіма можливими шляхами.

Поставити надійний заслін на шляху занадто «рухомого» елемента, а також дезактивувати метал вдається не завжди. Бобові рослини, улюблена їжа людини і тварин, концентрують грунтовий рутеній у своєму корінні.