• POP
• Windows
• Антивирусна програма
• Антивирусна програма
• Графични изкуства

Историята на откриването на химичния елемент рутений. Рутений. свойства на рутения. Използването на рутений. Открийте и докажете

Рутеният е най-лекият и най-малко "благороден" от всички метали от групата на платината. Това е може би най-„многовалентният“ елемент (известни са девет валентни състояния). Въпреки повече от половин век изследователска история, той все още поставя много въпроси и проблеми пред съвременните химици днес. И така, какво е рутений като химичен елемент? Като начало, кратко отклонение в историята.

Мистериозен и богат

Името и историята на откриването на рутений са неразривно свързани с Русия. В самото начало на XΙX век световната общественост е развълнувана и разтревожена от новината, че в Руската империя са открити най-богатите находища на платина. Имаше слухове, че в Урал добивът на този благороден метал може да се извърши с обикновена лопата. Фактът за откриването на богати находища скоро беше потвърден от факта, че министърът на финансите на Русия Е. Ф. Канкрин изпрати най-високия указ за сечене на монети от платина в монетния двор на Санкт Петербург. През следващите години бяха пуснати в обращение около милион и половина монети (3,6 и 12 рубли), за производството на които бяха изразходвани 20 тона благороден метал.

"Откритие" Озана

Професор Готфрид Озан от университета Дерпт-Юриевски (сега Тарту) се заема с изучаването на състава на ценната уралска руда. Той стигна до извода, че платината е придружена от три неизвестни метала - полином, полином и рутений - имената на които са дадени от самия Озан. Между другото, той нарече третия в чест на Русия (от лат. Ruthenia).

Колегите на Озан в цяла Европа, начело с най-авторитетния шведски химик Йенс Берцелиус, бяха много критични към посланието на професора. В опит да се оправдае, ученият повтори серия от експериментите си, но предишните резултати не можаха да бъдат постигнати.

Две десетилетия по-късно професорът по химия Карл Карлович Клаус (Казанският университет) се заинтересува от работата на Озан. Той получи разрешение от министъра на финансите да вземе няколко паунда остатъци от производство на монети от лабораторията на монетния двор за повторна проверка.

Руският академик А. Е. Арбузов отбелязва в своите трудове, че за да открие нов елемент в онези дни, химикът се нуждаеше от изключително усърдие и постоянство, наблюдателност и проницателност и най-важното - тънък експериментален усет. Всички горепосочени качества бяха присъщи на младия Карл Клаус в най-висока степен.

Изследването на учения имаше и практическа стойност- допълнително извличане на чиста платина от рудни остатъци. След като разработи свой собствен план за експеримента, Клаус сля рудния материал със селитра и извлече разтворими елементи: осмий, иридий, паладий. Неразтворимата част се подлага на смес от концентрирани киселини („царска водка“) и се дестилира. В утайката от железен хидроксид той откри наличието на неизвестен метал и го изолира първо под формата на сулфид, а след това в чиста форма (около 6 грама). Професорът запазва името, предложено от Озан за елемента - рутений.

Открийте и докажете

Но както се оказа, историята на откритието химичен елементрутеният едва започваше. След публикуването на резултатите от изследването през 1844 г., градушка от критики пада върху Клаус. Заключенията на неизвестния казански учен бяха скептично приети от най-големите химици в света. Дори изпращането на проба от новия елемент на Берцелиус не спаси ситуацията. Според шведския майстор рутеният на Клаус е само „проба от нечист иридий“.

Само изключителните качества на Карл Карлович като аналитичен химик и експериментатор и редица допълнителни изследвания позволиха на учения да докаже своя случай. През 1846 г. откритието получава официално признание и потвърждение. За работата си Клаус е удостоен с наградата Демидов на Руската академия на науките в размер на 10 хиляди рубли. Благодарение на таланта и упоритостта на казанския професор, рутеният се присъедини към платиноидите - първият елемент, открит в Русия (и днес, за съжаление, единственият от руската химическа школа).

Допълнителни изследвания

Области на използване

Въпреки че всички свойства на благородния метал в рутения са напълно налице, елементът не е получил широко разпространение в бижутерийната индустрия. Използва се само за укрепване на сплави и за по-голяма издръжливост на скъпите бижута.

По отношение на потребеното количество рутений промишлените сектори са подредени в следния ред:

1. Електронен.
2. Електрохимия.
3. химически.

Каталитичните свойства на елемента са много търсени. Използва се при синтеза на циановодородна и азотна киселини, при производството на наситени въглеводороди, глицерин и полимеризацията на етилен. В металургичната промишленост рутениевите добавки се използват за повишаване на антикорозионните свойства, за придаване на здравина на сплавите, химическа и механична устойчивост. Радиоактивните изотопи на рутения често помагат на учените в техните изследвания.

Много съединения на елемента са намерили приложение и като добри окислители и багрила. По-специално, хлоридите се използват за подобряване на луминесценцията.

биологично значение

Рутеният има способността да се натрупва в клетките на живите тъкани, главно в мускулната тъкан (единственият метал от групата на платината). Може да провокира развитието на алергични реакции, да има отрицателен ефект върху лигавицата на очите и горните дихателни пътища.

В медицината благородният метал се използва като средство за разпознаване на засегнатите тъкани. Лекарства, базирани на него, се използват за лечение на туберкулоза и различни инфекции, които засягат човешката кожа. Поради тази причина изглежда много обещаващо да се използва способността на рутения да образува стабилни нитрозокомплекси в борбата срещу заболявания, свързани с прекомерна концентрация на нитрати в човешкото тяло (хипертония, артрит, септичен шок и епилепсия).

Кой е виновен

Съвсем наскоро западноевропейски учени сериозно разтревожиха обществеността със съобщение, че над континента расте съдържанието на радиоактивния изотоп рутений Ru 106. Експертите напълно изключват неговото самообразуване в атмосферата. Освен случайно изпускане от атомна електроцентрала, оттогава радионуклидите на цезия и йода задължително ще присъстват във въздуха, което не се потвърждава от експериментални данни. Въздействието на този изотоп върху човешкото тяло, както всеки радиоактивен елемент, води до облъчване на тъкани и органи, развитие на рак. Възможни източници на замърсяване, според западни медии, се намират на територията на Русия, Украйна или Казахстан.

В отговор представител на Департамента по комуникациите на Росатом каза, че всички предприятия на държавната корпорация са работили и работят в нормален режим. Международната агенция за атомна енергия (МААЕ) в своето становище, базирано на собствените си данни от мониторинга, нарече всички обвинения срещу Руска федерациябезпочвен.

Рутеният е елемент от странична подгрупа на осмата група от петия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев, атомен номер 44. Означава се със символа Ru (лат. Рутений).

Историята на откриването на този елемент започва в Русия, когато през 20-те години на 19 век в Урал са открити находища на платина. Новината за това откритие бързо се разпространи по света и предизвика много безпокойство и безпокойство на международния пазар. Сред чуждестранните спекуланти имаше слухове за чудовищни ​​самородки, за платинен пясък, който миньорите на платина изгребват директно с лопати. Депозитите на платина наистина се оказаха богати и граф Канкрин, който по това време беше министър на финансите на Русия, нареди сеченето на платинени монети. Монетите започнаха да се секат в деноминации от 3,6 и 12 рубли. Емитирани са 1 400 000 платинени монети, за които са използвани повече от 20 тона самородна платина.

В годината на заповедта на Канкрин да сече монети, Озан, професор в Юриевския университет, изследвайки проби от уралска платина, стигна до заключението, че платината е придружена от три нови метала. Озан нарече един от тях полу-ран, вторият - полином, а третият в чест на латинското име. Русия - Рутеният даде име - рутений. Химиците посрещнаха "откритието" на Озан с недоверие. Особено протестира шведският химик Берцелиус, чийто авторитет по това време е наистина световен. Спорът, възникнал между Озан и Берцелиус, се ангажира да разреши професорът по химия в Казанския университет К. К. Клаус. След като получи на свое разположение малко количество останки от сеченето на платинена монета, Клаус откри в тях нов метал, зад който запази името рутений, предложено от Озан. На 13 септември 1844 г. Клаус прави доклад в Академията на науките за нов елемент и неговите свойства. През 1845 г. докладът на Клаус, озаглавен „Химически изследвания на остатъците от уралската платинова руда и металния рутений“, е публикуван като отделна книга. „... Малко количество изследван материал - не повече от шест грама напълно чист метал- не ми позволи да продължа изследванията си ", пише Клаус в книгата си. Получените данни за свойствата на новия метал обаче позволиха на Клаус твърдо да обяви откриването на нов химичен елемент.

В желанието си да запознае чуждестранни учени с откритието на нов елемент, Клаус изпрати проба от метала на Берцелиус. Отговорът на Берцелиус беше меко казано странен. Имайки в ръка нов елементс подробно описание на имотите, той не се съгласи с мнението на Клаус. Берцелиус заявява, че металът, получен от Клаус, е "проба от нечист иридий", отдавна известен елемент. По-късно Берцелиус е принуден да признае грешката си.

Разделянето на платиновите метали и получаването им в чист вид (рафиниране) е много трудна задача, което изисква много труд, време, скъпи реактиви, както и високо умение. Родната платина, платиненият "скрап" и други материали първо се обработват с "кралска водка" при ниска топлина. В този случай платината и паладият напълно преминават в разтвора под формата на H2 и H2, мед, желязо и никел - под формата на хлориди CuCl2, FeCl3, NiCl2. Родий и иридий са частично разтворени под формата на Н3 и Н2. Остатъкът, неразтворим в царска вода, се състои от съединение на осмий с иридий, както и свързани минерали (кварц SiO2, хромова желязна руда FeCr2O4, магнитна желязна руда Fe3O4 и др.) След филтриране на разтвора платината се утаява от него с амоний хлорид. Въпреки това, за да може утайката от амониев хексахлороплатинат да не съдържа иридий, който също образува слабо разтворим амониев хексахлороиридит (IV) (NH4) 2, е необходимо да се редуцира Ir (IV) до Ir (III). Това става чрез добавяне например на тръстикова захар C12H22O14 (метод на I.I. Chernyaev). Амониевият хексахлориридит (III) е разтворим във вода и амониевият хлорид не се утаява. Утайката от амониев хексахлороплатинат се филтрува, промива се, суши се и се калцинира. Получената платинена гъба се пресова и след това се стопява в кислородно-водороден пламък или в електрическа високочестотна пещ. Паладий, родий и иридий се извличат от филтъра от амониев хексахлороплатинат; От иридиевата сплав се изолират иридий, осмий и рутений. Необходимите за това химични операции са много сложни. В момента основният източник на платинени метали са медно-никелови сулфидни руди. В резултат на сложната им обработка се претопяват т. нар. "груби" метали - замърсени никел и мед. При електролитното им рафиниране благородните метали се натрупват под формата на анодна утайка, която се изпраща за рафиниране.

Значителен източник на рутений за извличането му е изолирането му от делящи се фрагменти на ядрени материали (плутоний, уран, торий), където съдържанието му в отработените горивни пръти достига 250 грама на тон "изгоряло" ядрено гориво.

По отношение на огнеупорността (Tmelt 2250 ° C) рутеният е по-нисък само от няколко елемента - рений, осмий, волфрам.

Най-ценните свойства на рутения са огнеупорност, твърдост, химическа устойчивост и способността да ускорява определени химични реакции. Най-характерни са съединенията с валентност 3+, 4+ и 8+. Склонен е да образува сложни съединения. Използва се като катализатор, в сплави с платинени метали, като материал за остри върхове, за контакти, електроди и в бижутерията.

Рутеният и осмият са крехки и много твърди. Под действието на кислород и силни окислители те образуват RuO4 и OsO4 оксиди. Това са нискотопими жълти кристали. Парите и на двете съединения имат остра, неприятна миризма и са силно токсични. И двете съединения лесно отделят кислород, като се редуцират до RuO2 и OsO2 или до метали. С алкали RuO4 дава соли (рутенати): 2Ru04 + 4KOH = 2K2RuO4 + 2H2O + O2

• Малко добавяне на рутений (0,1%) повишава корозионната устойчивост на титана.
• В сплав с платина се използва за направата на изключително устойчиви на износване електрически контакти.
• Катализатор за много химични реакции. Много важно място на рутения като катализатор в системите за пречистване на водата на орбиталните станции.

Също така уникална е способността на рутения да свързва каталитично атмосферния азот при стайна температура.

Рутеният и неговите сплави се използват като топлоустойчиви структурни материали в космическата техника и до 1500 °C превъзхождат по якост най-добрите сплавимолибден и волфрам (имащи предимството и на висока устойчивост на окисление).

През последните години рутениевият оксид е широко изследван като материал за производството на суперкондензатори за електричество със специфичен електрически капацитет над 700 Farad/gram.

Приложение на рутений за отглеждане на графен

Изследователи от Националната лаборатория Брукхейвън (САЩ) показаха, че по време на епитаксиалния растеж на графен върху повърхността на Ru(0001) се образуват макроскопични области на графен. В този случай растежът протича слой по слой и въпреки че първият слой е силно свързан със субстрата, вторият слой практически не взаимодейства с него и запазва всички уникални свойства на графена.

Синтезът се основава на факта, че разтворимостта на въглерода в рутений силно зависи от температурата. При 1150°C рутеният се насища с въглерод и когато температурата падне до 825°C, въглеродът излиза на повърхността, което води до образуването на графенови острови, по-големи от 100 µm. Островите растат и се обединяват, след което започва растежът на втория слой.

Рутеният (по съдържание в платиновите руди) е най-редкият сред платиновите метали. Открит е от казанския професор Клаус, който през 1844 г. открива нов елемент в останките на уралската платинова руда, който нарича рутений (от къснолатинското Ruthenia - Русия). Клаус получава чист рутений, изучава химичните му свойства, определя атомното му тегло и посочва приликите между триадите рутений – родий – паладий и осмий – иридий – платина.
Рутеният е сателит на платината. Съдържа се главно в осмиридий - остатъкът след отделянето на платиновите руди с царска вода. Много рядко се среща и под формата на самостоятелен минерал - лаурит, рутениев сулфид RuS 2, съдържащ осмий.

Касова бележка:

Остатъците от рафиниране на платина или електрорафиниране на мед се превръщат в (NH4)2, който се калцинира до RuO2, последният се редуцира с водород.
В колоидно състояние рутеният може да се получи чрез редуциране на неговите соли с хидразин в присъствието на гума арабика или с акролеин.
Понастоящем отработеното гориво от атомните електроцентрали също може да служи като източник на рутений, тъй като той е един от продуктите на делене на ядрени материали (плутоний, уран, торий).

Физични свойства:

Рутеният, в зависимост от метода на получаването му, е матовосив или сребристо-бял блестящ метал с изключително висока твърдост; той обаче е толкова крехък, че може лесно да се смила на прах. Той е много огнеупорен и се топи при много по-висока температура от платината. В електрическа дъга по време на топене, Ru едновременно се изпарява. Той също преминава в газова фаза при силно калциниране във въздуха, но в този случай не металът лети, а тетроксидът, който е стабилен при много високи температури.

Химични свойства:

При отсъствието на атмосферен кислород никаква киселина, дори царската вода, не засяга рутения. Въпреки това, солната киселина, съдържаща въздух, я разтваря бавно при обикновена температура, а при 125 ° (в запечатана тръба) дори доста бързо. При нагряване на въздух рутеният почернява поради окисляване на повърхността. Флуорът действа върху прахообразния рутений вече под температурата на червена топлина, а хлорът - при червена топлина. Прахообразният рутений реагира със сярата само при специални условия. С фосфора той образува съединението RuP 2 и RuP и Ru 2 P; с арсен, както и с платина, рутеният дава диарсенида RuAs 2 . Алкали в присъствието на кислород или вещества, които лесно отделят кислород, например смеси от KOH с KNO 3 или K 2 CO 3 с KCIO 3, както и пероксиди, например Na 2 O 2 или BaO 2, при високи температури действат енергично върху рутения, образувайки с нийм рутенати(VI) M 1 2 RuO 4 . Tc 2 O 7.

Най-важните връзки:

Рутениев диоксид RuO 2 се получава под формата на синьо-черен прах чрез нагряване на прахообразен рутений, хлорид или негов сулфид в поток от кислород. RuO 2 се редуцира от водород при ниски температури; при много високи температури RuO 2 започва да се разлага на рутений и кислород.
Рутениев тетроксид RuO 4 се получава чрез преминаване на хлор през разтвор на рутенати на алкални метали или чрез добавяне на излишък от алкали към разтвори на рутениеви соли; образува жълти иглички, топящи се при 25° в оранжева течност. При нагряване, около 108 °, RuO 4 c силна експлозиясе разлага на RuO 2 и O 2 . Рутениевият тетроксид реагира изключително енергично с органични вещества, реакцията му с алкохол протича с експлозия.
Рутениев пентакарбонил Ru(CO) 5 летлива течност, запалва се във въздуха. Използва се за нанасяне на Ru покрития върху стъкло, керамика и метали.
Комплексни съединения на рутенияса много многобройни. По-специално, той може да образува връзка в тях дори с такъв необичаен лиганд като молекулярен азот, образувайки например съединението Cl 2.

Приложение:

Производство на катализатори, декоративни и защитни покрития, сплави. Малките добавки на рутений обикновено повишават устойчивостта на корозия, здравината и твърдостта на сплавта, което е ценно за производството на устойчиви на износване електрически контакти.
Годишното производство на рутений през 2009 г. се оценява на около 18 тона.

Г. Елфимова

Вижте също:
Федоренко Н.В. KKKlaus: откриването на рутений.Химия в училище, 1977, № 4
Shulchus A. Няколко истории за откриването на рутений. Химия в училище, 2010, № 9 стр. 79

История

произход на името

Касова бележка

Рутеният се получава като "отпадък" от рафинирането на платина и платинени метали.

Значителен източник на рутений за извличането му е изолирането му от ядрените фрагменти на ядрени материали (плутоний, уран, торий), където съдържанието му в отработените горивни пръти достига 250 грама на тон отработено ядрено гориво.

Разработена е и технология за производство на рутений от технеций-99 чрез неутронно облъчване на молибден.

Производство, запаси и цена

Физични и химични свойства

Изотопен състав

Естественият рутений има седем стабилни изотопа:

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

Физични свойства

По огнеупорност ( T pl \u003d 2334 ° C) рутеният е на второ място след няколко елемента - рений, осмий, молибден, иридий, волфрам, тантал и ниобий.

Химични свойства

Рутеният е силно инертен метал.

неорганични съединения

Органична химия на рутений

Рутеният образува редица органометални съединения и е активен катализатор.

Приложение

• Малко добавяне на рутений (0,1%) повишава корозионната устойчивост на титана.
• В сплав с платина се използва за направата на изключително устойчиви на износване електрически контакти.
• Рутениевият диоксид и бисмутовите рутенати се използват в дебелослойни резистори. Тези две приложения в електрониката консумират около 50% от произведения рутений.
• Катализатор за много химични реакции. Много важно място на рутения като катализатор в системите за пречистване на водата на орбиталните станции.
• Ruthenium red en се използва като конкурентен антагонист за изследване на йонни канали (CatSper1, TASK, RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6, TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1) .

Също така уникална е способността на рутения да свързва каталитично атмосферния азот при стайна температура. Откритие, направено експериментално от изследователи от Университета на Минесота през 2018 г., показва, че химическият елемент рутений е четвъртият елемент с уникални магнитни свойства при стайна температура. Доскоро на хората бяха известни само три стабилни магнитни елемента, желязо (Fe), кобалт (Co), никел (Ni) и отчасти гадолиний (Gd), който губи своите магнитни свойства при температури над 8 градуса по Целзий. Откриването на нов магнитен материал може да доведе до разработването на нови видове сензори, устройства за съхранение, обработка на информация и множество други електронни и електромеханични устройства. В допълнение към традиционните технологии, които използват магнитните свойства на материалите, появата на нов магнитен материал може да играе важна роля в по-нататъчно развитиередица нови направления, като спинтроника. Това ще бъде благоприятствано от факта, че технологиите за отглеждане на тънки филми и създаване на наноструктури вече са достигнали нивото, което позволява производството на материали с уникални свойства, които същите материали от естествен произход не притежават.

Рутеният и неговите сплави намират приложение като високотемпературни структурни материали в космическото инженерство и до 1500°C превъзхождат по якост най-добрите сплави на молибден и волфрам (имат предимството и на висока устойчивост на окисление).

Физиологично действие и биологична роля

Рутеният изглежда е микроелемент. Това е единственият платинен метал, който се среща в състава на живите организми (според някои източници също е платина). Концентриран е главно в мускулната тъкан.