Рутений

Руте́ний (химический символRu, от лат. Ruthenium) — химический элемент 8-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 44.

Рутений
← Технеций | Родий →
44 Fe

Ru

Os
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонПериодическая система элементов
44Ru
Hexagonal.svg
Electron shell 044 Ruthenium.svg
Внешний вид простого вещества
Ruthenium crystals.jpg
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)
Уд. 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
101,07
4d75s1

Простое вещество рутений — это редкий переходный металл серебристо-белого цвета. Относится к платиновым металлам.

ИсторияПравить

Открыт профессором Казанского университета Карлом Клаусом в 1844 году, в том же году опубликовавшим 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, который зачитал его на заседании Петербургской Академии наук 13 сентября 1844 года[3], этот 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 названияПравить

Первооткрыватель 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 элемента, который он по ошибке принял за новый элемент, и Клаус, действительно открывший новый элемент в 1844 году, дал ему это название[3].

Добыча, запасы и ценаПравить

Основными мировыми производителями рутения являются ЮАР (главный поставщик металла на мировой рынок), Зимбабве, Россия, США, Китай. Добыча рутения в 2009 году составляла 17,9 тонн[8], в 2021 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 $ за тройскую унцию, в декабре 2021 года стабилизировалась на уровне 550 $ или 18 $ за грамм[12].

Физические и химические свойстваПравить

Изотопный составПравить

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 свойстваПравить

Полная электронная конфигурация атома рутения: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d75s1

Рутений в зависимости от способа его получения является матово-серым или серебристо-белым блестящим металлом, обладающим чрезвычайно большой твердостью; 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 свойстваПравить

В отсутствии кислорода воздуха на рутений не действует ни одна кислота, даже царская водка. Однако содержащая воздух соляная кислота медленно растворяет его при обычной температуре, а при 125° (в запаянной трубке) даже 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, а хлор — при красном калении. 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 дает 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 соединенияПравить

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 · 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 нитрозосоединенийruen — 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+VIIIO4) 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 рутенияПравить

Рутений образует ряд металлоорганических соединений и является активным катализатором.

ПолучениеПравить

Рутений 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 граммов на тонну отработанного ядерного топлива.

Также разработаны основы технологии получения рутения из технеция-99 с помощью реакторного нейтронного облучения (ядерная трансмутация) технеция-99 [14].

ПрименениеПравить

  • 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 красныйruen 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 действиеПравить

Рутений 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.

ПримечанияПравить

  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. 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. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Об открытии нового металла // Горный журнал. Часть I. Книжка II. — 1845. — С. 265—273.
  6. Популярная библиотека химических элементов. Рутений. Дата обращения: 25 марта 2007. Архивировано 30 сентября 2007 года.
  7. О рутение // Горный журнал. Часть III. Книжка VII. — 1845. — С. 157-163. — «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».
  8. Рынок металлов платиновой группы 2010: родий, иридий, рутений, осмий. (недоступная ссылка). metalresearch.ru. Дата обращения: 11 июля 2013. Архивировано 15 июля 2013 года.
  9. Loferski, Patricia J.; Ghalayini, Zachary T. and Singerling, Sheryl A. Platinum-group metals. 2016 Minerals Yearbook. USGS. p. 57.3.. — London: USGS - U.S. GEOLOGICAL SURVEY, 2018. — С. 57.3. Архивная копия от 23 декабря 2021 на Wayback Machine
  10. 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.
  11. Ruthenium Prices and Ruthenium Price Charts (27 мая 2016). Дата обращения: 27 мая 2016. Архивировано 17 мая 2016 года.
  12. Мировая цена на рутений за тройскую унцию и грамм. Дата обращения: 23 декабря 2021. Архивировано 23 декабря 2021 года.
  13. «Scientists discover new magnetic element» Архивная копия от 27 мая 2018 на Wayback Machine Phys.org, May 25, 2018
  14. 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.

СсылкиПравить