Рутений
Руте́ний (химический символ — Ru, от лат. Ruthenium) — химический элемент 8-й группы (переходный металл, по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 44.
| Рутений | ||||
|---|---|---|---|---|
| ← Технеций | Родий → | ||||
| ||||
| Внешний вид простого вещества | ||||
 Образец рутения |
||||
| Свойства атома | ||||
| Название, символ, номер | Рутений / Ruthenium (Ru), 44 | |||
| Группа, период, блок |
8 (устар. 8), 5, d-элемент |
|||
| Атомная масса (молярная масса) |
101,07(2)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
| Электронная конфигурация | [Kr] 4d75s1 | |||
| Радиус атома | 134 пм | |||
| Химические свойства | ||||
| Ковалентный радиус | 125 пм | |||
| Радиус иона | (+4e) 67 пм | |||
| Электроотрицательность | 2,2 (шкала Полинга) | |||
| Электродный потенциал | 0 | |||
| Степени окисления | 0, +2, +3, +4, +6, +8 | |||
| Энергия ионизации (первый электрон) |
710,3 (7,36) кДж/моль (эВ) | |||
| Термодинамические свойства простого вещества | ||||
| Плотность (при н. у.) | 12,41 г/см³ | |||
| Температура плавления | 2334 °C[2] (2607 K, 4233 °F) | |||
| Температура кипения | 4077 °C[2] (4350 K, 7371 °F) | |||
| Мол. теплота плавления | (25,5) кДж/моль | |||
| Молярная теплоёмкость | 24,0[2] Дж/(K·моль) | |||
| Молярный объём | 8,3 см³/моль | |||
| Кристаллическая решётка простого вещества | ||||
| Структура решётки | Гексагональная | |||
| Параметры решётки | a=2,706 c=4,282 Å | |||
| Отношение c/a | 1,582 | |||
| Температура Дебая | 600 K | |||
| Прочие характеристики | ||||
| Теплопроводность | (300 K) 117,0 Вт/(м·К) | |||
| Номер CAS | 7440-18-8 | |||
| 44 | Рутений
|
| 4d75s1 | |
Простое вещество рутений — это тяжёлый металл серебристо-белого цвета. Относится к платиновым металлам, в природе встречается редко.
История
правитьОткрыт профессором Казанского университета Карлом Клаусом в 1844 году, который в том же году опубликовал о новом элементе большую статью «Химические исследования остатков Уральской платиновой руды и металла рутения» в «Учёных записках Казанского университета». Об открытии, методе получения и свойствах нового элемента Клаус сообщил в письме Г. И. Гессу на немецком языке. Гесс зачитал письмо на заседании Петербургской Академии наук 13 сентября 1844 года[3], текст был опубликован в бюллетене Академии[4] и в переводе на русский язык — в «Горном журнале»[5]. Клаус выделил рутений из уральской платиновой руды в чистом виде и указал на сходство между триадами рутений — родий — палладий и осмий — иридий — платина.
Происхождение названия
правитьПервооткрыватель элемента К. К. Клаус назвал рутений в честь России[6][7] (Ruthenia — латинское название Руси). Название «рутений» было предложено в 1828 году Г. В. Озанном для ошибочно открытого элемента, и Клаус, действительно открывший новый элемент в 1844 году, дал ему это название[3].
Добыча, запасы и цена
правитьОсновными мировыми производителями рутения являются ЮАР (главный поставщик металла на мировой рынок), Зимбабве, Россия, США, Китай. Добыча рутения в 2009 году составляла 17,9 тонны[8], в 2021 году она поднялась до 30 тонн[9]. Мировые запасы рутения оцениваются в 5000 тонн[10]. Цена рутения на 27 мая 2016 года составляла 42 доллара за тройскую унцию (примерно 1,35 USD/г)[11]. С тех пор цена рутения отличалась большой волатильностью: в июле 2021 года поднималась до 800 USD за тройскую унцию, в декабре 2021 года стабилизировалась на уровне 550 USD или 18 USD за грамм[12].
Физические и химические свойства
правитьИзотопный состав
правитьПриродный 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
правитьПолная электронная конфигурация атома рутения: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d75s1.
Рутений в зависимости от способа его получения является матово-серым или серебристо-белым блестящим металлом, обладающим чрезвычайно большой твёрдостью; при этом он настолько хрупок, что его можно легко растереть в порошок. Он очень тугоплавок и плавится при значительно более высокой температуре, чем платина. В электрической дуге при плавлении Ru одновременно испаряется. Он переходит в газовую фазу также при сильном прокаливании на воздухе, но в этом случае летит не металл, а четыреокись, устойчивая при очень высоких температурах.
Химические свойства
правитьВ отсутствие кислорода на рутений не действует ни одна кислота, даже царская водка (исключение составляет концентрированная хлорная кислота, с которой реакция идет только на свету). Однако содержащая воздух соляная кислота медленно растворяет его при обычной температуре, а при 125° (в запаянной трубке) довольно быстро. При нагревании на воздухе рутений чернеет вследствие поверхностного окисления с образованием RuO2. Если реакция протекает при температуре выше 700°, то образуется смесь оксидов RuO2 и RuO4. Фтор действует на порошкообразный рутений уже ниже температуры красного каления с образованием RuF5 — фторида полимерного строения; рутений реагирует с хлором выше 400 °C (образуется RuCl3). С серой порошкообразный рутений реагирует лишь при соблюдении особых условий. С фосфором он образует соединение RuP2 и RuP и Ru2P; с мышьяком, так же как платина, рутений даёт диарсенид RuAs2. Щелочи в присутствии кислорода или веществ, легко отдающих кислород, например, смеси KOH с KNO3 или K2CO3 с KCIO3, а также перекисей, например Na2O2 или BaO2, при высокой температуре энергично действуют на рутений, образуя с ним рутенаты(VI) M12RuO4.
Неорганические соединения
правитьРутений способен давать соединения, соответствующие разнообразным степеням окисления:
- 8 RuO4; RuO4 · PCl3
- 7 M[RuO4]
- 6 M2[RuO4]; M2[RuF8]; RuF6
- 5 M[RuF6]; RuF5
- 4 RuCl4; RuO2; M2[RuCl6]
- 3 RuCl3; М3[RuCl6]
- 2 M2[RuCl4]; M4[Ru(CN)6]
- 1 Ru(CO)nBr
- 0 Ru(CO)n
Соединения рутения представлены также широким спектром нитрозосоединений[англ.] — содержащих группировку RuNO3+, например, K2[RuNOCl5]. 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+8O4) по свойствам несколько напоминает тетраоксид осмия.
Исследователи из университета Миннесоты в 2018 году показали, что рутений обладает магнитными свойствами при комнатной температуре[13].
Органическая химия рутения
правитьРутений образует ряд металлоорганических соединений и является активным катализатором.
Получение
правитьРутений получают как «отходы» при аффинировании платины и платиновых металлов.
Значительным источником изотопов рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий), где его содержание в отработанных ТВЭЛах достигает 250 грамм на тонну отработанного ядерного топлива.
Также разработаны основы технологии получения рутения из технеция-99 с помощью реакторного нейтронного облучения (ядерная трансмутация) технеция-99[14].
Применение
править- Небольшая добавка рутения (0,1 %) увеличивает коррозионную стойкость титана.
- В сплаве с платиной используется для изготовления чрезвычайно износостойких электрических контактов.
- Диоксид рутения и рутенаты висмута используются в толстоплёночных резисторах. Эти два применения в электронике потребляют порядка 50 % производимого рутения.
- Катализатор для многих химических реакций. Очень важное место рутения как катализатора в системах очистки воды орбитальных станций.
- Рутений красный[англ.] применяется как конкурентный антагонист для исследования ионных каналов (CatSper1, TASK,RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6,TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1).
- Рутений и его сплавы находят применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов в аэрокосмической технике, и до 1500 °C по прочности превосходят лучшие сплавы молибдена и вольфрама (имея преимущество также в высокой стойкости к окислению).
Физиологическое действие
правитьРутений 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.
Примечания
править- ↑ 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. 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. Архивировано 5 февраля 2014 года.
- ↑ 1 2 3 Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 285—286. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
- ↑ 1 2 Соловьев 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.
- ↑ Découverte d'un nouveau métal. Lettre de M. le professeur CLAUS de Kazan à M. HESS (Lu le 13 septembre 1844.) (фр.) // Bulletin de la classe physico-mathématique de l'Académie impériale des Sciences de St.- Pétersbourg : magazine. — 1844. — Vol. 3.
- ↑ Об открытии нового металла // Горный журнал. Часть I. Книжка II. — 1845. — С. 265—273. Архивировано 21 декабря 2016 года.
- ↑ Популярная библиотека химических элементов. Рутений. Дата обращения: 25 марта 2007. Архивировано 30 сентября 2007 года.
- ↑ О рутение // Горный журнал. Часть III. Книжка VII. — 1845. — С. 157-163. Архивировано 3 сентября 2021 года. — «Потом, ч[е]рез 2 года, получив металл в совершенно чистом виде, сообщил уже об этом открытии ученому свету и новое тело назвал, в честь моего отечества, рутением».
- ↑ Рынок металлов платиновой группы 2010: родий, иридий, рутений, осмий. metalresearch.ru. Дата обращения: 11 июля 2013. Архивировано из оригинала 15 июля 2013 года.
- ↑ Loferski, Patricia J.; Ghalayini, Zachary T. and Singerling, Sheryl A. Platinum-group metals. 2016 Minerals Yearbook (англ.). — London: USGS — U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2018. — P. 57.3. Архивировано 23 декабря 2021 года..
- ↑ Emsley, J. (2003). «Ruthenium». Nature’s Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford, England, UK: Oxford University Press. P. 368—370. ISBN 0-19-850340-7.
- ↑ Ruthenium Prices and Ruthenium Price Charts (27 мая 2016). Дата обращения: 27 мая 2016. Архивировано 17 мая 2016 года.
- ↑ Мировая цена на рутений за тройскую унцию и грамм. Дата обращения: 23 декабря 2021. Архивировано 23 декабря 2021 года.
- ↑ «Scientists discover new magnetic element» Архивная копия от 27 мая 2018 на Wayback Machine Phys.org, May 25, 2018
- ↑ K. V. Rotmanov, L. S. Lebedeva, V. M. Radchenko, V. F. Peretrukhin. Transmutation of 99Tc and preparation of artificial stable Ruthenium: III. Isolation of artificial metallic Ruthenium from irradiated technetium (рус.) // Радиохимия : журнал. — 2008. — Т.50 № 8 (т. 50, № 8). — С. 408 - 410. — ISSN 1608-3288. Архивировано 2 июля 2022 года.
