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

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?

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.

Свойства

Рутений – это не только металл, но и добавка, которая придает золоту черный цвет. Его электронная формула – 4s 2 p 6 d 7 5s 1, температура плавления – 2250 градусов Цельсия. Ученые утверждают, что этого металла в земной коре имеется около 5000 тонн. По этой причине, а также из–за трудной добычи благородный элемент стоит дорого. Свойства рутения отличаются от характеристик иных металлов, поэтому его ценят во многих отраслях промышленности. Вреден элемент может быть только в некоторых соединениях.

История металла

Карл-Эрнст Клаус, прибалтийский немец, родился и вырос в Эстонии. В детстве он разрывался между желанием сделаться ботаником и идеей зарабатывать на жизнь аптекарским ремеслом.

Однако судьба велела ему забыть о глупостях, осознать себя русским ученым-химиком и отправиться на службу в Казанский университет. Сопротивлялся Карл Карлович как мог. Женился на немке, ботаники не оставил (один из родов капусты таки назван его именем), к химии относился не то чтобы пренебрежительно, а…

несерьезно. Кислоты трогал руками, растворы пробовал на вкус, ядовитые газы обонял, чтоб запомнить их запах, и часто высказывал соображения, не подобающие солидному ученому. В общем, проявил все черты русского характера – и ненапрасно! Большинство высказанных профессором К.К.

Клаусом идей, слишком смелых для своего времени, оказались верными. Реализуя одну из них, в 1844-м году Клаус получает шесть граммов металла, ранее неизвестного науке и впоследствии названного рутением.
Светила мирового сообщества отмечали близость нового металла отчасти к железу, отчасти к осмию.

Возникло – и с тех пор не исчезает – устойчивое мнение, что из всех так называемых «благородных» металлов рутений – самый неблагородный…

Свойства рутения

Вот уже полтораста лет рутений находится в полном распоряжении исследователей, но исчерпывающего понимания его возможностей все еще нет. Экспериментаторы столкнулись с парадоксальным явлением: физические свойства этого платиноида меняются в зависимости от метода получения металла. Наличие разницы в свойствах, понимают ученые, говорит только о загрязненности образцов.

Осознание проблемы отчасти озадачивает, потому как действенного способа очищения рутения от примесей пока нет; а отчасти – обнадеживает, поскольку теоретические характеристики вещества очень завидны. Так или иначе, сегодня не удается избавить рутений от присущей его отливкам хрупкости.

Попытки механической обработки (ковка, прессование, резание) заканчиваются разрушением рутениевой заготовки.

Между тем, производственники весьма заинтересованы в «покорении» металла: газопоглотительные способности рутения непревзойденны.

Если палладий способен впитать водорода в 940 раз больше своего объема, то у рутения этот показатель почти вдвое выше! При этом поглотительная способность рутения касается не одного только водорода, но и азота, и – в меньшей степени – других неметаллов.

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

Изотопный состав

Основная статья: Изотопы рутения

Природный рутений состоит из семи стабильных изотопов:

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

Физические свойства

По тугоплавкости (Тпл= 2334 °C) рутений уступает лишь нескольким элементам — рению, осмию, молибдену, иридию, вольфраму, танталу и ниобию.

Химические свойства

Рутений — весьма инертный металл.

Валентные электроны рутения

Количество валентных электронов в атоме рутения — 8.

Ниже приведены их квантовые числа (N — главное, L — орбитальное, M — магнитное, S — спин)

ОрбитальNLMS

s	5	0	0	+1/2
d	4	2	-2	+1/2
d	4	2	-1	+1/2
d	4	2	0	+1/2
d	4	2	1	+1/2
d	4	2	2	+1/2
d	4	2	-2	-1/2
d	4	2	-1	-1/2

Степени окисления, которые может проявлять рутений: -2, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7, +8

Электронная схема рутения

Ru: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s1 4d7
Короткая запись:
Ru: [Kr]5s1 4d7

You need to enable JavaScript to run this app.

Порядок заполнения оболочек атома рутения (Ru) электронами:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d →
5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на
‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Рутений имеет 44 электрона,
заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

Элемент Ru является исключением!

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

10 электронов на 3d-подуровне

6 электронов на 4p-подуровне

1 электрон на 5s-подуровне

7 электронов на 4d-подуровне

Степень окисления рутения

Атомы рутения в соединениях имеют степени окисления 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -2.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле
между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается
заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается,
то степень окисления положительная.

Ионы рутения

8+Ru
7+Ru
6+Ru
5+Ru
4+Ru
3+Ru
2+Ru
1+Ru

Ru 02-Ru

Квантовые числа Ru

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации,
для атома Ru эти числа имеют значение N = 4, L = 2, Ml = -1, Ms = -½

Видео заполнения электронной конфигурации (gif):

Результат:

Неорганические соединения

Рутений не растворяется в кислотах и царской водке (смеси HCl и HNO3). Вместе с тем рутений реагирует с хлором выше 400 °C (образуется RuCl3) и со смесью щёлочи и нитрата при сплавлении (образуются рутенаты, например, Na2RuO4).

Рутений способен давать соединения, соответствующие разной степени окисления:

8 RuO4; RuO4 · PCl37 M[RuO4]6 M2[RuO4]; M2[RuF8]; RuF65 M[RuF6]; RuF54 RuCl4; RuO2; M2[RuCl6]3 RuCl3; M3[RuCl6]2 M2[RuCl4]; M4[Ru(CN)6]1 Ru(CO)nBr0 Ru(CO)n

Соединения рутения представлены также широким спектром нитрозосоединений — содержащих группировку RuNO. Данные комплексные соединения, в особенности, нитрозонитроамины (например, [RuNO(NO2)2(NH3)2OH]) и нитрозонитрокомплексы (особенно комплексный анион [RuNO(NO2)4OH]2−) (жёлто-оранжевый) отличаются высокой устойчивостью и кинетической инертностью.

Тетраоксид рутения (Ru+VIIIO4) по свойствам несколько напоминает тетраоксид осмия.

Органическая химия рутения

Рутений образует ряд металлоорганических соединений и является активным катализатором.

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…

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.

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).

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.

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.

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.

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).

Физиологическое действие

Является единственным платиноидным металлом, который обнаруживается в составе живых организмов. (По некоторым данным — ещё и платина) Концентрируется в основном в мышечной ткани.

Металлы платиновой группы

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.