Рутений это химический элемент, простое вещество серебристого цвета, обозначается знаком Ru.
Относится к платиновой группе.
Рутений как благородный металл считается самым (не благородным) и самым лёгким из платиновой группы.
В нормальных условиях он может находиться в сразу как минимум в девяти валентных состояниях , а этим могут похвастаться не многие металлы.
Ru первых химический элемент который смог связать и доказать возможное соединение азота с металлами.
Что такое рутений
Рутений Ru — это химический элемент восьмой группы (8) ( устаревшая классификация: VIII группы) пятого периода периодической системы элементов.
Атомный номер 44, атомная масса (молярная масса) рутения 101,07; относится к металлам группы платины. [Ruhenium; от лат. назв. России (Ruthenia)].
В соединениях проявляет степени окисления от + 1 до + 8, из них наиболее характерны +3, +4, + 6 и + 8.
Серебристо-белый металл, в порошке — серого цвета. Твердый и хрупкий. Природный рутений состоит из стабильных изотопов с массовыми числами 96 (5,57%)98 (1,86%), 99 (12,7%), 100 (12,6%) 101 (17,1%), 102 (31,6%) и 104(18,5%).
Искусственные радиоактивные изотопы рутения образуются в результате деления ядер урана и плутония.
Важнейшие из них рутений 103Ru и рутений 106Ru с периодами полураспада соответственно 39,8 суток и 1,01 года (радиоактивность рутения).
История
Рутений открыл (1844) русский химик К. К. Клаус при исследовании уральской самородной платины.
Редкий и очень рассеянный элемент, содержание его в земной коре 5•10-7%.
Рутений — первый элемент, который позволял связать азот воздуха в химическое соединение (комплексное соединение рутения), подобно тому как это делают некоторые бактерии.
Это было доказано в 1962 г., автору статьи удалось получить соединение азота с рутением
Содержание в природе
Содержится в виде изоморфной примеси (0,2 ч- 20%) в минералах группы осмистого иридия (например, рутениевый сысертскит и рутениевый невьянскит), встречающихся вместе с минералами платины.
Находится также в сульфидных медноникелевых рудах.
Накапливается в процессе работы ядерных реакторов. Кристаллическая структура рутения гексагональная плотноупакованная типа магния, с периодами решетки а = 2,7053 А и с = 4,2820 А (т-ра 11° С).
Являясь 74-м по распространенности элементом в земной коре, металлический рутений относительно редок и содержится примерно в 100 частях на триллион.
Как правило, этот элемент можно найти в рудах вместе с другими металлами платиновой группы, присутствующими в Северной и Южной Америке и в Уральских горах.
Меньшие, но коммерчески важные количества также присутствуют в пентландите, добываемом в Онтарио, Садбери, Канада, и пироксените в Южной Африке.
Самородная форма рутения является очень редким минералом (где Ir заменяет часть Ru в его структуре).
Физические свойства рутения
Плотность (т-ра 20° С) 12,45 г/см3; tпл 2334 ± 10° С (монокристаллического рутения чистотой 99,98%); tкип около 4100° С; удельная теплоемкость 0,0569 кал/г х град (т-ра 259°С).
Электронная конфигурация рутения: [Kr] 4d75s1
Коэфф. теплопроводности 0,251 кал/см х сек х град (т-ра 20° С); коэфф. линейного расширения в интервале т-р 0 —100° С составляет 9,1 х 10-6 град-1.
Удельное электрическое сопротивление при т-ре 25° С равно 7,427 мком х см; температурный коэфф. электр. сопротивления 0,0042 град (в интервале т-р 0— 100° С).
Удельная парамагн. восприимчивость 0,427 х 10-6 (т-ра 25° С). Рутений труднолетуч (давление его насыщенного пара при т-ре 2000° С составляет 1 • 10-4 мм рт. ст.).
Механические свойства рутения, особенно пластичность, сильно зависят от степени чистоты и термообработки.
У отожженного рутения модуль норм, упругости 48 500 кгс/мм2; модуль сдвига 17 200 кгс/мм2; предел прочности на растяжение 50 кгс/мм2; HV = 200—350, по др. данным — 260—500 (диапазон значения обусловлен анизотропией).
Поликристаллический рутений— практически недеформируемый металл, с трудом поддающийся пластическому деформированию при т-ре выше 1500° С.
Зонно рафинированный монокристаллический рутений пластичен при комнатной т-ре (выдерживает изгиб вручную более чем на 90°). Рутений обладает высокой коррозионной стойкостью.
Рутений считается одним из тугоплавких металлов он уступает только рению, осмию, вольфраму, и ниобию.
Благодаря своей твёрдости он нашёл широкое применение в местах где нужно дополнительная устойчивость к трению , а также в производстве практически не стираемых контактов для реле которые работают на малых токах.
Растворимость рутения в веществах
В виде компактного металла не растворяется в к-тах и «царской водке», однако на него действуют раствор гипохлоритов щелочных металлов, расплавы щелочей и перекисей.
Сплавляя порошок рутения со смесью щелочи и сильного окислителя (перекисей натрия или бария), получают растворимые в воде рутенаты типа M2RuО4.
Рутений может быть переведен в раствор электролитически. При комнатной т-ре не окисляется.
Химические свойства
При нагревании на воздухе или в токе кислорода окисляется до двуокиси RuО2, при сильном прокаливании постепенно улетучивается вследствие образования четырехокиси RuО4.
Четырехокись рутения — твердое с резким запахом летучее вещество золотисто-желтого цвета, tпл 25° С, ядовитое, очень сильный окислитель, восстанавливается при соприкосновении со мн. органическими веществами со взрывом.
При нагревании порошкообразного рутения с фтором, хлором, серой и фосфором образуются соответственно RuF5, RuCl3, RuS2 и RuP2.
С азотом металлический рутений не взаимодействует, но может связывать азот воздуха, включая его в комплексные соединения.
Рутений практически не растворяет водород, но в мелкораздробленном состоянии легко его поглощает (1 объем рутениевой черни сорбирует до 1500 объемов водорода).
Рутений — самый «многовалентный» элемент: он может существовать по крайней мере в девяти валентных состояниях.
Комплексные соединения
Как и все металлы группы платины, образует многочисленные комплексные соединения, напр. прочные аммиакаты типа [Ru(NH3)6]Х3.
Хлориды рутения легко образуют ацидосоединения типов М2[RuCl6] и М2[RuCl5]. Гексахлорорутенат аммония (NH4)2 X[RuCl6], труднорастворимый в растворах хлористого аммония, является промежуточным продуктом в процессе получения металлического рутения.
Рутений сплавляется с большинством металлов. С переходными металлами образует широкие области твердых растворов на основе компонентов и промежуточные фазы со структурой типов CsCl и Cr3Si, сигма-фазы и Лавеса фазы.
Обладает каталитическими св-вами, часто проявляя высокую селективность в реакциях органического синтеза.
Получение рутения
Так как этот метал более активен чем любой другой из семейства платиновых , его основное нахождение в природных сплавах с другими благородными металлами в основном с платиной.
Качественная реакция на рутений нужна чтобы с точность определить его состав, для этого применяют неорганические и органические вещества.
Так же он получается в результате ядерных реакций на Атомных Электро Станциях , где на одну тонну отработанного материала приходится 250 граммов рутения .
Стоимость на данный момент меняется от потребностей покупателя , но в среднем составляет 100 долларов за унцию ( 31.1 грамм ).
Получение на производстве
Источником получения рутения служат рутениевые концентраты — полупродукты переработки концентратов платиновых металлов.
Рутениевый концентрат плавят со смесью щелочи и селитры либо спекают с перекисью натрия или бария, отгоняя в виде четырехокиси. Пары четырехокиси улавливают соляной к-той.
Из полученного раствора добавлением хлористого аммония, рутений осаждают в виде гексахлорорутената аммония.
Осадок прокаливают и восстанавливают в токе водорода, получая рутениевый порошок чистотой 99,9%. Рутений поставляют в виде порошка или спрессованных и спеченных из него прутков.
Выплавляют рутений и его сплавы в индукционных печах (в тиглях из стабилизированной двуокиси циркония или электроплавленного магнезита) или в дуговых печах в среде аргона или в вакууме.
Рутений в сплавах
Добавки рутения значительно повышают твердость, прочность, электросопротивление и коррозионную стойкость сплавов.
Рутений вводят вместо дорогостоящего иридия в сплавы (с платиной и палладием), используемые для изготовления износостойких деталей различных измерительных приборов.
Мощных и слаботочных электроконтактов, ювелирных изделий. Из сплавов иридия с рутением изготовляют электроды термопар, эксплуатируемых до т-ры 2000° С.
Металлический рутений, его сплавы и металлоорганические соединения используют в качестве катализатора при синтезе органических и неорганических продуктов (синильной к-ты из аммиака и метана, полиэтилена, глицерина из целлюлозы, в различных реакциях гидрирования).
Комплексную аммонийную соль «рутениевую красную» применяют в качестве краски по фарфору, а некоторые соединения — как стойкие красители в стеклах и эмалях.
Характеристики рутения
Рутений содержит четыре кристаллические модификации, и он не тускнеет в условиях окружающей среды; он также окисляется при нагревании до 800 ° C (1070 К).
Этот металл растворяется в плавленых щелочах с образованием рутенатов, которые не подвергаются воздействию кислот (даже царской водки), но подвергаются воздействию галогенов при высоких температурах.
Действительно, металлический рутений легче подвергается воздействию окислителей. Небольшие количества рутения повышают твердость палладия и платины.
Коррозионная стойкость титана заметно повышается за счет добавления меньшего количества рутения.
Этот металл покрывается термическим разложением и гальванопокрытием. Сплав рутения и молибдена считается сверхпроводящим при температурах ниже 10,6 К.
Рутений является одним и единственным 4d переходным металлом, который может принимать групповую степень окисления +8, и даже он менее стабилен там по сравнению с более тяжелым конгенером осмием.
Об этом говорится как о первой группе с левой стороны таблицы, где второй и третий ряды переходных металлов представляют собой заметные различия в их химическом поведении.
Подобно железу, но в отличие от осмия, рутений может образовывать водные катионы при более низких степенях окисления +2 и +3.
Применение рутения
В производстве катализаторов в органической химии, а также большое значение в космической промышленности в изготовлении уникальных катализаторов по очистке воды на орбитальных станциях.
Так же он способен к поглощению водорода который превышает на порядок считаемый эталоном водородного сорбента Палладий.
Один кубический сантиметр палладия поглощает 940 кубических см. водорода , а рутений поглощает 1500 куб.см.
Благодаря своим свойствам в сплавах с другими металлами придавать им жаростойкость и стойкость к окислению в высоких температурах нашло применение в космических технологиях который заменил предыдущие в использовании молибден и вольфрам.
По состоянию на 2016 год было израсходовано почти 30,9 тонны рутения, в то время как 7,7 тонны были использованы в катализе, 13,8 тонны — в электротехнике и 4,6 тонны — в электрохимии.
Поскольку рутений упрочняет сплавы палладия и платины, его можно использовать в электрических контактах, где для достижения желаемой прочности достаточно тонкой пленки.
Обладая теми же свойствами и более низкой стоимостью по сравнению с родием, электрические контакты являются основным применением рутения.
Рутениевая пластина может быть нанесена на основной металл электрода и электрический контакт методом распыления или гальванопокрытия.
Диоксид рутения с рутенатами висмута и свинца используются в толстопленочных микросхемных резисторах. На эти оба электронных приложения приходится 50 процентов потребления рутения.
Рутений редко сплавляют с металлами, не относящимися к платиновой группе, где небольшие количества улучшают некоторые свойства.
Повышенная коррозионная стойкость титановых сплавов привела к разработке специального сплава с 0,1% рутения.
Рутений также может быть использован в нескольких современных высокотемпературных монокристаллических суперсплавах, в том числе для таких применений, как турбины реактивных двигателей.
Получение металлов
Ежегодно добывается около 30 тонн рутения, а мировые запасы оцениваются в 5000 тонн.
Состав добываемых смесей металлов платиновой группы (МПГ) широко меняется в зависимости от геохимического состава.
Например, МПГ, добываемые в Южной Африке, содержат в среднем 11 процентов рутения, в то время как МПГ, добываемые в бывшем СССР, содержат только 2 процента (по состоянию на 1992 год).
Осмий, иридий и рутений считаются второстепенными металлами платиновой группы.
Получение рутения в чистом виде на данный момент не возможна именно поэтому до конца не изучены его свойства на растяжения , трения и так далее.
Для получения более чистого метала используются установки для зонной плавки но и они не дают 100% результата.
Также для получения чистого металла используется способ образованием четырёхокиси RuO4 , который перегона удается очистить его от других примесей благородных и не благородных металлов таких как платина , иридий , родий , медь и так далее .
Часто задаваемые вопросы по рутению?
Объясните процесс катализа рутения?
Большинство соединений, содержащих рутений, проявляют полезные каталитические свойства.
Удобно, что катализаторы делят на те, которые растворимы в гомогенных катализаторах, реакционной среде, и те, которые не растворимы, называются гетерогенными катализаторами.
Наночастицы рутения образуются внутри галлуазита. Этот богатый минерал естественным образом содержит структуру свернутых нанолистов (иначе называемых нанотрубками).
Которые могут поддерживать как синтез нанокластера Ru, так и его продукты для последующего использования в промышленном катализе.
Перечислите новые области применения рутения?
Некоторые из комплексов рутения поглощают свет во всем видимом спектре, и они активно исследуются для технологий солнечной энергетики.
Предположим, что соединения на основе рутения были использованы для поглощения света в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем, что является многообещающей новой и недорогой системой солнечных элементов.
Некоторые оксиды на основе рутения обладают очень необычными свойствами, такими как экзотическая сверхпроводимость (в форме рутената стронция), поведение в квантовой критической точке и высокотемпературный ферромагнетизм.
Влиянии рутения на здоровье?
О воздействии рутения на здоровье известно немного, и люди относительно редко сталкиваются с соединениями рутения.
Металлический рутений инертен (который не вступает в химическую реакцию).
Некоторые соединения, такие как оксид рутения (RuO4), являются летучими и высокотоксичными.
Где используются кобальтовые катализаторы, промотированные рутением?
Кобальтовые катализаторы, промотированные рутением, могут быть использованы в синтезе Фишера-Тропша.
Ссылки: Рутений история, Рутений химические свойства.
Статья на тему рутений