Рутений (Ru) — четвертый элемент с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре

В Средневековье европейцы Русь называли Рутенией. Для них эти земли были территорией «непокорных племён», «дикарей и язычников», непонятных и непредсказуемых народов.

Наш нынешний герой назван в честь Рутении очень «в точку». Металл до сих пор во многом загадочный, необъясненный и иногда взрывоопасный — как сама Россия. Так что К. Клаус, давший название платиноиду, попал «в яблочко».

Рутений – очень твердый и тугоплавкий, но очень хрупкий металл платиновой группы.

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.

Карл Карлович Клаус, «папа» рутения

В истории изучения платиноидов выделяются несколько ученых. Среди них К. Клаус — химик, фармацевт, философ.

Карл Клаус, российский химик, фармацевт и ботаник, основоположник химии платины и ее спутников в России, учитель А.М. Бутлерова, член-корреспондент Петербургской (1861 г.) и Берлинской (1863 г.) Академии наук.

Совсем малышом он остался сиротой. Жил в нищете, даже гимназию не закончил, но отличался любознательностью и учился сам. Потому сумел сдать экзамен на фармацевта. Переехал в Казань, стал заведовать аптекой. В 32 года, будучи женатым, имея трех детишек, решил продолжить учебу.

У талантливых людей широкий круг интересов. Клаус занялся ботаникой, исследовал растения заволжских степей. А когда учился (семью-то кормить надо было), работал лаборантом.

Закончил Дерптский университет, защитил диссертацию, и снова уехал в Казань. Тут возглавил химическую лабораторию в Казанском университете — и увлекся химией.

Хорошему игроку и карта идет. В 1840 году в университет прислали платиновую руду, и начались исследования.

Через четыре года работы был открыт новый платиноид — металл, названный рутением (Ruthenium). Награда за открытие была не маленькая. Ученый получил Демидовскую премию (5000 рублей), внушительная сумма по тем временам.

Клаус писал о своем открытии:

«Более целого года трудился я над этим предметом, но наконец открыл легкий и верный способ добывания его в чистом состоянии. Этот новый металл, который мною был назван рутением в честь нашего Отечества».

Физико-химические характеристики

Рутений наделен характеристиками, свойственными другим платиноидам: повышенная твердость (6,5 по Моосу), стойкость к химическим субстанциям, включая агрессивные.

Есть отличительные признаки:

• Эффективный сорбент водорода: рутениевый кубик с ребром в 1 см способен впитать 1500 см3 водорода. Это почти вдвое больше, чем у палладия (940 см3), признанного эталоном по данной характеристике.
• Интересны свойства четырехвалентной окиси рутения. Внешне это желтые с золотистостью иголки. Даже при комнатной температуре (25°С) истаивают до жидкости, источая запах озона. Без этого компонента невозможно отделение рутения от других металлов и максимальная очистка.

Металл хрупок, легко истрирается до порошка.

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.

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.

Загадочная и богатая

Название и история открытия рутения неразрывно связаны с Россией. В самом начале XΙX века мировую общественность взволновало и обеспокоило известие о том, что в Российской империи обнаружены богатейшие залежи платины. Ходили слухи, что на Урале добычу этого драгоценного металла можно было вести обыкновенной лопатой. Факт открытия богатых месторождений был вскоре подтвержден тем, что министр финансов России Е. Ф. Канкрин направил на Петербургский Монетный двор высочайший указ о чеканке монет из платины. В последующие годы было запущено в оборот около полутора миллионов монет (3,6 и 12 руб.) для производства которых затрачено 20 тонн драгоценного металла.

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.

Технологии получения

1. Рутений извлекают из платиновой либо никелево-медной руды. Причем делают это, когда сырье «очищено» от других ценных элементов. То есть основной источник металла – отходы, оставшиеся в результате очистки платины или металлов ее группы. Полный цикл (включая обогащение руды и термохимическое воздействие), занимает полтора месяца.
2. Второй источник – содержимое отработанных ТВЭЛов, отходы ядерного производства. Материалом служат уран, торий, плутоний. Тонна продукта радиоактивного распада содержит до 250 граммов рутения.
3. Третий – изотоп технеция, облученный потоком нейтронов.

Кто виноват?

Совсем недавно ученые Западной Европы всерьез обеспокоили общественность сообщением, что над континентом растет содержание радиоактивного изотопа рутения Ru106. Самообразование его в атмосфере специалисты полностью исключают. Как и аварийный выброс с АЭС, так как тогда в воздухе обязательно присутствовали бы радионуклиды цезия и йода, что не подтверждается экспериментальными данными. Воздействие этого изотопа на организм человека, как и всякого радиоактивного элемента, ведет к облучению тканей и органов, развитию онкологических заболеваний. Возможные источники загрязнения, по версии западных СМИ, расположены на территории России, Украины или Казахстана.

В ответ представитель Департамента коммуникаций Росатома заявил, что все предприятия госкорпорации работали и работают в штатных режимах. Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) в своем заключении, основываясь на данных собственного мониторинга, назвало все обвинения в адрес Российской Федерации беспочвенными.

Где используется

Благородный металл востребован как самодостаточный элемент и компонент сплавов.

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.

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.

Чем интересен для ученых

Рутений околдовывал многие поколения ученых. Выяснилось, что некоторые его характеристики почти копируют платиноиды родий и осмий, другие – железо.

Но и через почти двести лет после открытия элемента вопросы остаются:

• Главное препятствие создает валентность. У рутения она восьми видов. Это не самое «страшное». Во время опытов валентность спонтанно, неожиданно меняется.
• Нестандартны каталитические возможности. Ручаться за исход процесса сложно: металл сам «решает», какому элементу помогать ускоряться, какому нет.

Поэтому не удается пока получить стойкий чистый металл.

Эти обстоятельства только раззадоривают ученых, особенно молодежь. Они намерены приручить своенравный металл. Особо привлекательные направления – полное и экономически оптимальное извлечение элемента из минералов, шлама, ядерных отходов.

Биологическое воздействие

Как и платина, нанодозы рутения присутствуют в тканях биологических организмов (у человека это мышцы).

Металл, его соединения биологически активны. Данное свойство используют дерматологи, онкологи, фтизиатры.

На особом счету неорганический краситель, известный как «рутениевый красный». Он контрастно выделяет ткани, другие биологические субстанции, исследуемые под микроскопом.

Однако есть опасные для человека соединения:

• Диоксид. Весьма ядовит, вызывает рвоту, приступы удушья. Провоцирует аллергию, язвы на слизистых оболочках.
• Четырехвалентная окись. Воздействия органики (например, спирта) или нагрева выше 100°С достаточно, чтобы прогремел взрыв.

Это нужно учитывать, если в семье есть поклонники домашних химических опытов. Такие субстанции хранят в специальных емкостях.

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).

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.

Источники

• https://himya.ru/rutenij.html
• https://jgems.ru/metally/rutenij
• https://vplate.ru/metally-i-splavy/o-rutenii/
• https://chem.ru/rutenij.html
• https://your-online.ru/electronic-formulas/Ru
• https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Ru
• https://FB.ru/article/356482/ruteniy—himicheskiy-element-opisanie-istoriya-i-sostav
• https://TheMineral.ru/metally/rutenij
• https://himsnab-spb.ru/article/ps/ru/