• POP
• Okna
• antivirus
• antivirus
• Grafika

Historie objevu chemického prvku ruthenium. Ruthenium. vlastnosti ruthenia. Použití ruthenia. Objevte a dokažte

Ruthenium je nejlehčí a nejméně „ušlechtilý“ ze všech kovů skupiny platiny. Je to snad nejvíce „multivalentní“ prvek (je známo devět valenčních stavů). Navzdory více než půlstoletí historie výzkumu stále klade moderním chemikům mnoho otázek a problémů. Co je tedy ruthenium jako chemický prvek? Na začátek krátká odbočka do historie.

Tajemný a bohatý

Jméno a historie objevu ruthenia jsou nerozlučně spjaty s Ruskem. Na samém počátku XΙX století byla světová komunita nadšena a znepokojena zprávou, že nejbohatší naleziště platiny byla objevena v Ruské říši. Objevily se zvěsti, že na Uralu lze těžbu tohoto drahého kovu provádět obyčejnou lopatou. Skutečnost objevení bohatých nalezišť záhy potvrdila skutečnost, že ministr financí Ruska E.F.Kankrin zaslal petrohradské mincovně nejvyšší výnos o ražbě mincí z platiny. V následujících letech bylo uvedeno do oběhu asi jeden a půl milionu mincí (3,6 a 12 rublů), na jejichž výrobu bylo vynaloženo 20 tun drahého kovu.

"Objev" Ozanna

Profesor Gottfried Ozann z Derpt-Jurjevského (nyní Tartu) univerzity se ujal studia složení uralské drahé rudy. Dospěl k závěru, že platinu provázejí tři neznámé kovy – polynom, polynom a ruthenium – jejichž názvy dal sám Ozann. Mimochodem, třetí jmenoval na počest Ruska (z latinského Ruthenia).

Ozannovi kolegové v celé Evropě v čele s nejuznávanějším švédským chemikem Jensem Berzeliusem byli k profesorově zprávě velmi kritičtí. Ve snaze ospravedlnit se vědec zopakoval řadu svých experimentů, ale předchozích výsledků nebylo možné dosáhnout.

O dvě desetiletí později se o Ozannovu práci začal zajímat profesor chemie Karl Karlovich Klauss (Kazanská univerzita). Získal povolení od ministra financí získat několik liber zbylé produkce mincí z mincovní laboratoře k opětovnému prozkoumání.

Ruský akademik A.E. Arbuzov ve svých spisech poznamenal, že k objevení nového prvku v té době potřeboval chemik extrémní píli a vytrvalost, pozorování a vhled, a co je nejdůležitější, jemný experimentální talent. Všechny výše uvedené vlastnosti byly mladému Karlu Klaussovi v nejvyšší míře vlastní.

Výzkum vědce měl a praktickou hodnotu- dodatečná extrakce čisté platiny ze zbytků rudy. Poté, co Klauss vyvinul svůj vlastní plán experimentu, spojil rudný materiál s ledkem a extrahoval rozpustné prvky: osmium, iridium, palladium. Nerozpustná část byla vystavena směsi koncentrovaných kyselin ("aqua regia") a destilaci. Ve sraženině hydroxidu železa objevil přítomnost neznámého kovu a izoloval jej nejprve ve formě sulfidu a poté v čisté formě (asi 6 gramů). Profesor ponechal pro prvek název navržený Ozannem – ruthenium.

Objevte a dokažte

Ale jak se ukázalo, historie objevu chemický prvek ruthenium teprve začínalo. Po zveřejnění výsledků studie v roce 1844 se na Clausse snesla vlna kritiky. Závěry neznámého kazaňského vědce přijali největší chemici světa skepticky. Ani odeslání vzorku nového prvku Berzeliusovi situaci nezachránilo. Klausovo ruthenium bylo podle švédského mistra pouze „vzorkem nečistého iridia“.

Pouze vynikající vlastnosti Karla Karlovicha jako analytického chemika a experimentátora a řada dalších studií umožnily vědci prokázat svůj případ. V roce 1846 se objevu dostalo oficiálního uznání a potvrzení. Za svou práci byl Klauss oceněn Demidovovou cenou Ruské akademie věd ve výši 10 tisíc rublů. Díky talentu a vytrvalosti kazaňského profesora se mezi platinoidy zařadilo ruthenium - první prvek objevený v Rusku (a dnes bohužel jediný z ruské chemické školy).

Další výzkum

Oblasti použití

Přestože jsou všechny vlastnosti ušlechtilého kovu v rutheniu plně přítomny, tento prvek se ve šperkařském průmyslu příliš nerozšířil. Používá se pouze ke zpevnění slitin a zvýšení odolnosti drahých šperků.

Z hlediska množství spotřebovaného ruthenia jsou průmyslová odvětví uspořádána v následujícím pořadí:

1. Elektronický.
2. Elektrochemické.
3. Chemikálie.

Katalytické vlastnosti prvku jsou velmi žádané. Používá se při syntéze kyseliny kyanovodíkové a dusičné, při výrobě nasycených uhlovodíků, glycerinu a polymeraci ethylenu. V metalurgickém průmyslu se přísady ruthenia používají ke zvýšení antikorozních vlastností, k dodání pevnosti slitinám, chemické a mechanické odolnosti. Vědcům při výzkumu často pomáhají radioaktivní izotopy ruthenia.

Mnoho sloučenin prvku také našlo uplatnění jako dobrá oxidační činidla a barviva. Pro zvýšení luminiscence se používají zejména chloridy.

biologický význam

Ruthenium má schopnost akumulovat se v buňkách živých tkání, především svalové tkáně (jediný kov ze skupiny platiny). Může vyvolat rozvoj alergických reakcí, mít negativní vliv na sliznici očí a horních cest dýchacích.

V lékařství se ušlechtilý kov používá jako prostředek k rozpoznání postižených tkání. Léky na jeho základě se používají k léčbě tuberkulózy a různých infekcí, které postihují lidskou kůži. Z tohoto důvodu se jeví velmi nadějně využití schopnosti ruthenia tvořit stabilní nitrosokomplexy v boji proti nemocem spojeným s nadměrnou koncentrací dusičnanů v lidském těle (hypertenze, artritida, septický šok, epilepsie).

kdo je vinen?

Poměrně nedávno západoevropští vědci vážně rozrušili veřejnost zprávou, že nad kontinentem roste obsah radioaktivního izotopu ruthenia Ru 106. Jeho samotvorbu v atmosféře odborníci zcela vylučují. Stejně jako při náhodném úniku z jaderné elektrárny by se od té doby nutně vyskytovaly v ovzduší radionuklidy cesia a jódu, což experimentální data nepotvrzují. Dopad tohoto izotopu na lidské tělo, jako každý radioaktivní prvek, vede k ozařování tkání a orgánů, rozvoji rakoviny. Možné zdroje znečištění se podle západních médií nacházejí na území Ruska, Ukrajiny nebo Kazachstánu.

V reakci na to zástupce ministerstva komunikací Rosatomu řekl, že všechny podniky státní korporace fungovaly a pracují v normálních režimech. Mezinárodní agentura pro atomovou energii (MAAE) ve svém stanovisku na základě vlastních monitorovacích údajů všechna obvinění stáhla proti Ruská Federace bezdůvodný.

Ruthenium je prvek vedlejší podskupiny osmé skupiny páté periody periodického systému chemických prvků D. I. Mendělejeva, atomové číslo 44. Označuje se symbolem Ru (lat. Ruthenium).

Historie objevu tohoto prvku začala v Rusku, kdy byla na Urale ve 20. letech 19. století objevena ložiska platiny. Zpráva o tomto objevu se rychle rozšířila po celém světě a vyvolala na mezinárodním trhu mnoho úzkosti a neklidu. Mezi zahraničními spekulanty se šuškalo o monstrózních nugetech, o platinovém písku, který platinoví těžaři nabírají přímo lopatami. Vklady platiny se skutečně ukázaly být bohaté a hrabě Kankrin, který byl v té době ministrem financí Ruska, nařídil ražbu platinových mincí. Mince se začaly razit v nominálních hodnotách 3,6 a 12 rublů. Bylo vydáno 1 400 000 platinových mincí, na které bylo použito více než 20 tun nativní platiny.

V roce Kankrinova příkazu k ražbě mincí dospěl Ozann, profesor na Yuryevově univerzitě, zkoumající vzorky uralské platiny, k závěru, že platinu doprovázejí tři nové kovy. Ozann nazval jeden z nich polořadový, druhý - polynom a třetí na počest latinského jména. Rusko – Ruthenium dalo jméno – ruthenium. Chemici přivítali Ozannův „objev“ s nedůvěrou. Protestoval zejména švédský chemik Berzelius, jehož autorita byla v té době skutečně celosvětová. Spor, který vznikl mezi Ozannem a Berzeliusem, se zavázal vyřešit profesor chemie na Kazaňské univerzitě K. K. Klaus. Poté, co Klaus dostal k dispozici malé množství zbytků z ražby platinové mince, objevil v nich nový kov, za nímž si ponechal název ruthenium navržený Ozannem. 13. září 1844 podal Klaus v Akademii věd zprávu o novém prvku a jeho vlastnostech. V roce 1845 vyšla Klausova zpráva nazvaná „Chemické studie zbytků uralské platinové rudy a ruthenia“ jako samostatná kniha. "... Malé množství studovaného materiálu - ne více než šest gramů úplně." čistý kov- nedovolil mi pokračovat ve výzkumu," napsal Klaus ve své knize. Získané údaje o vlastnostech nového kovu však Klausovi umožnily pevně prohlásit objev nového chemického prvku.

Klaus chtěl seznámit zahraniční vědce s objevem nového prvku a poslal vzorek kovu Berzeliusovi. Berzeliusova odpověď byla přinejmenším podivná. Mít v ruce nový prvek s podrobným popisem nemovitostí nesouhlasil s Klausovým názorem. Berzelius uvedl, že kov obdržený od Klause byl „vzorek nečistého iridia“, dlouho známého prvku. Berzelius byl později nucen přiznat svou chybu.

Separace platinových kovů a jejich získávání v čisté formě (rafinace) je velmi těžký úkol, což vyžaduje spoustu práce, času, drahých činidel a také vysokou zručnost. Nativní platina, platinový „šrot“ a další materiály se nejprve ošetřují „královskou vodkou“ s nízkým žárem. V tomto případě platina a palladium zcela přecházejí do roztoku ve formě H2 a H2, mědi, železa a niklu - ve formě chloridů CuCl2, FeCl3, NiCl2. Rhodium a iridium jsou částečně rozpuštěny ve formě H3 a H2. Zbytek nerozpustný v aqua regia se skládá ze sloučeniny osmia s iridiem a také přidružených minerálů (křemen SiO2, chromová železná ruda FeCr2O4, magnetická železná ruda Fe3O4 atd.) Po přefiltrování roztoku se z něj amoniem vysráží platina chlorid. Aby však sraženina hexachloroplatičitanu amonného neobsahovala iridium, které tvoří i těžko rozpustný hexachloroirid amonný (IV) (NH4)2, je nutné Ir (IV) redukovat na Ir (III). To se provádí přidáním například třtinového cukru C12H22O14 (metoda I.I. Chernyaeva). Hexachloririd amonný (III) je rozpustný ve vodě a chlorid amonný se nesráží. Sraženina hexachloroplatičitanu amonného se odfiltruje, promyje, suší a kalcinuje. Výsledná platinová houba se lisuje a následně taví v kyslíko-vodíkovém plameni nebo v elektrické vysokofrekvenční peci. Palladium, rhodium a iridium se extrahují z filtru z hexachloroplatičitanu amonného; Iridium, osmium a ruthenium jsou izolovány ze slitiny iridia. Chemické operace potřebné k tomu jsou velmi složité. V současnosti jsou hlavním zdrojem platinových kovů rudy sulfidu mědi a niklu. V důsledku jejich složitého zpracování dochází k tavení tzv. „hrubých“ kovů – kontaminovaného niklu a mědi. Při jejich elektrolytické rafinaci se ušlechtilé kovy hromadí ve formě anodového kalu, který se posílá do rafinace.

Významným zdrojem ruthenia pro jeho extrakci je jeho izolace ze štěpných úlomků jaderných materiálů (plutonium, uran, thorium), kde jeho obsah ve vyhořelých palivových proutcích dosahuje 250 gramů na tunu „vyhořelého“ jaderného paliva.

Z hlediska žáruvzdornosti (Tmelt 2250°C) je ruthenium horší pouze několik prvků - rhenium, osmium, wolfram.

Nejcennějšími vlastnostmi ruthenia jsou žáruvzdornost, tvrdost, chemická odolnost a schopnost urychlovat určité chemické reakce. Nejcharakterističtější jsou sloučeniny s valenci 3+, 4+ a 8+. Má tendenci tvořit složité sloučeniny. Používá se jako katalyzátor, ve slitinách s platinovými kovy, jako materiál pro ostré hroty, pro kontakty, elektrody a ve špercích.

Ruthenium a osmium jsou křehké a velmi tvrdé. Působením kyslíku a silných oxidačních činidel tvoří oxidy RuO4 a OsO4. Jsou to žluté krystaly s nízkou teplotou tání. Páry obou sloučenin mají ostrý, nepříjemný zápach a jsou vysoce toxické. Obě sloučeniny snadno předávají kyslík, redukují se na RuO2 a OsO2 nebo na kovy. S alkáliemi poskytuje RuO4 soli (ruthenáty): 2Ru04 + 4KOH = 2K2RuO4 + 2H2O + O2

• Malý přídavek ruthenia (0,1 %) zvyšuje korozní odolnost titanu.
• Ve slitině s platinou se používá k výrobě elektrických kontaktů extrémně odolných proti opotřebení.
• Katalyzátor mnoha chemických reakcí. Velmi důležité místo ruthenia jako katalyzátoru v systémech čištění vody orbitálních stanic.

Unikátní je také schopnost ruthenia katalyticky vázat vzdušný dusík při pokojové teplotě.

Ruthenium a jeho slitiny se používají jako tepelně odolné konstrukční materiály v leteckém inženýrství a až do 1500 °C mají lepší pevnost než nejlepší slitiny molybden a wolfram (s výhodou také vysoké oxidační odolnosti).

V posledních letech byl oxid ruthenium široce studován jako materiál pro výrobu superkondenzátorů pro elektrickou energii se specifickou elektrickou kapacitou přes 700 Farad/gram.

Aplikace ruthenia k pěstování grafenu

Vědci z Brookhaven National Laboratory (USA) prokázali, že během epitaxního růstu grafenu na povrchu Ru(0001) vznikají makroskopické oblasti grafenu. V tomto případě probíhá růst vrstva po vrstvě, a přestože je první vrstva pevně spojena se substrátem, druhá vrstva s ním prakticky neinteraguje a zachovává si všechny unikátní vlastnosti grafenu.

Syntéza je založena na skutečnosti, že rozpustnost uhlíku v rutheniu silně závisí na teplotě. Při 1150 °C je ruthenium nasyceno uhlíkem, a když teplota klesne na 825 °C, uhlík se dostane na povrch, což má za následek vytvoření grafenových ostrůvků větších než 100 µm. Ostrovy rostou a spojují se, načež začíná růst druhé vrstvy.

Ruthenium (podle obsahu v platinových rudách) je mezi platinovými kovy nejvzácnější. Objevil ho kazaňský profesor Klaus, který v roce 1844 našel ve zbytcích uralské platinové rudy nový prvek, který nazval ruthenium (z pozdního latinského Ruthenia - Rusko). Klaus dostal čisté ruthenium, studoval jeho chemické vlastnosti, určil jeho atomovou hmotnost a poukázal na podobnosti mezi triádami ruthenium – rhodium – palladium a osmium – iridium – platina.
Ruthenium je satelitem platiny. Je obsažen především v osmiridiu - zbytku po separaci platinových rud aqua regia. Velmi vzácně se vyskytuje i ve formě samostatného minerálu - lauritu, sulfidu ruthenia RuS 2 obsahujícího osmium.

Účtenka:

Zbytky z rafinace platiny nebo elektrorafinace mědi se přemění na (NH 4) 2, který se kalcinuje na RuO 2, ten se redukuje vodíkem.
V koloidním stavu lze ruthenium získat redukcí jeho solí hydrazinem v přítomnosti arabské gumy nebo akroleinem.
V současnosti může sloužit jako zdroj ruthenia i vyhořelé palivo z jaderných elektráren, které je jedním ze štěpných produktů jaderných materiálů (plutonium, uran, thorium).

Fyzikální vlastnosti:

Ruthenium je podle způsobu výroby matně šedý nebo stříbřitě bílý lesklý kov s extrémně vysokou tvrdostí; je však tak křehký, že jej lze snadno rozemlít na prášek. Je velmi žáruvzdorný a taví se při mnohem vyšší teplotě než platina. V elektrickém oblouku při tavení se Ru současně odpařuje. Při silné kalcinaci na vzduchu také přechází do plynné fáze, ale v tomto případě nelétá kov, ale tetoxid, který je stabilní při velmi vysokých teplotách.

Chemické vlastnosti:

V nepřítomnosti vzdušného kyslíku neovlivňuje ruthenium žádná kyselina, dokonce ani aqua regia. Kyselina chlorovodíková obsahující vzduch ji však při běžné teplotě pomalu rozpouští a při 125 ° (v uzavřené zkumavce) dokonce poměrně rychle. Při zahřátí na vzduchu ruthenium zčerná v důsledku povrchové oxidace. Fluor působí na práškové ruthenium již pod teplotou červeného žáru a chlor - při červeném žáru. Práškové ruthenium reaguje se sírou pouze za zvláštních podmínek. S fosforem tvoří sloučeninu RuP 2 a RuP a Ru 2 P; s arsenem, stejně jako s platinou, ruthenium dává diarsenid RuAs 2 . Zásady v přítomnosti kyslíku nebo látek, které snadno uvolňují kyslík, například směsi KOH s KNO 3 nebo K 2 CO 3 s KCIO 3, stejně jako peroxidy, například Na 2 O 2 nebo BaO 2, při vysokých teplotách působit energicky na ruthenium, tvořit s neem ruthenáty(VI) M 1 2 RuO 4 . Tc207.

Nejdůležitější spojení:

Oxid ruthenium RuO 2 se získává ve formě modročerného prášku zahříváním práškového ruthenia, chloridu nebo jeho sulfidu v proudu kyslíku. RuO 2 je při nízkých teplotách redukován vodíkem, při velmi vysokých teplotách se RuO 2 začíná rozkládat na ruthenium a kyslík.
Oxid ruthenium RuO 4 se získává průchodem chloru roztokem ruthenátů alkalických kovů nebo přidáním přebytku alkálie do roztoků solí ruthenia; tvoří žluté jehličky, taje při 25° na oranžovou kapalinu. Při zahřátí, asi 108 °, RuO 4 c silný výbuch se rozkládá na RuO 2 a O 2 . Oxid ruthenium reaguje extrémně prudce s organickými látkami, jeho reakce s alkoholem nastává výbuchem.
pentakarbonyl ruthenium Ru(CO) 5 těkavá kapalina, na vzduchu se vznítí. Používá se pro nanášení Ru povlaků na sklo, keramiku a kovy.
Komplexní sloučeniny ruthenia jsou velmi četné. Zejména v nich dokáže vytvořit vazbu i s tak neobvyklým ligandem, jakým je molekulární dusík, za vzniku například sloučeniny Cl 2 .

Aplikace:

Výroba katalyzátorů, dekorativních a ochranných nátěrů, slitin. Malé přídavky ruthenia obecně zvyšují odolnost proti korozi, pevnost a tvrdost slitiny, což je cenné pro výrobu elektrických kontaktů odolných proti opotřebení.
Roční produkce ruthenia v roce 2009 byla odhadnuta na cca 18 tun.

G. Elfimová

Viz také:
Fedorenko N.V. KKKlaus: objev ruthenia. Chemie ve škole, 1977, č. 4
Shulchus A. Několik příběhů o objevu ruthenia Chemie ve škole, 2010, č. 9 s. 79

Příběh

původ jména

Účtenka

Ruthenium se získává jako „odpad“ z rafinace platiny a platinových kovů.

Významným zdrojem ruthenia pro jeho těžbu je jeho izolace ze štěpných fragmentů jaderných materiálů (plutonium, uran, thorium), kde jeho obsah ve vyhořelých palivových proutcích dosahuje 250 gramů na tunu vyhořelého jaderného paliva.

Byla také vyvinuta technologie pro výrobu ruthenia z technecia-99 pomocí neutronového ozařování molybdenu.

Výroba, zásoby a cena

Fyzikální a chemické vlastnosti

Izotopové složení

Přírodní ruthenium má sedm stabilních izotopů:

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

Fyzikální vlastnosti

Podle žáruvzdornosti ( T pl \u003d 2334 ° C) ruthenium je na druhém místě za několika prvky - rhenium, osmium, molybden, iridium, wolfram, tantal a niob.

Chemické vlastnosti

Ruthenium je vysoce inertní kov.

anorganické sloučeniny

Organická chemie ruthenia

Ruthenium tvoří řadu organokovových sloučenin a je aktivním katalyzátorem.

aplikace

• Malý přídavek ruthenia (0,1 %) zvyšuje korozní odolnost titanu.
• Ve slitině s platinou se používá k výrobě elektrických kontaktů extrémně odolných proti opotřebení.
• Oxid rutheničitý a ruthenáty vizmutu se používají v tlustovrstvých rezistorech. Tyto dvě aplikace v elektronice spotřebují asi 50 % vyrobeného ruthenia.
• Katalyzátor mnoha chemických reakcí. Velmi důležité místo ruthenia jako katalyzátoru v systémech čištění vody orbitálních stanic.
• Ruthenium red en se používá jako kompetitivní antagonista pro studium iontových kanálů (CatSper1, TASK, RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6, TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1) .

Unikátní je také schopnost ruthenia katalyticky vázat vzdušný dusík při pokojové teplotě. Objev, který experimentálně provedli vědci z University of Minnesota v roce 2018, ukazuje, že chemický prvek ruthenium je čtvrtým prvkem s jedinečnými magnetickými vlastnostmi při pokojové teplotě. Donedávna byly lidem známy pouze tři stabilní magnetické prvky, železo (Fe), kobalt (Co), nikl (Ni) a částečně gadolinium (Gd), které při teplotách nad 8 stupňů Celsia ztrácí své magnetické vlastnosti. Objev nového magnetického materiálu může vést k vývoji nových typů senzorů, paměťových zařízení, zpracování informací a řady dalších elektronických a elektromechanických zařízení. Kromě tradičních technologií, které využívají magnetických vlastností materiálů, může hrát důležitou roli vznik nového magnetického materiálu další vývojřada nových směrů, jako je spintronika. Tomu bude nakloněn fakt, že technologie pro pěstování tenkých vrstev a vytváření nanostruktur již dosáhly úrovně, která umožňuje výrobu materiálů s unikátními vlastnostmi, které stejné materiály přírodního původu nemají.

Ruthenium a jeho slitiny nacházejí uplatnění jako vysokoteplotní konstrukční materiály v leteckém inženýrství a až do 1500 °C mají lepší pevnost než nejlepší slitiny molybdenu a wolframu (také mají výhodu vysoké odolnosti proti oxidaci).

Fyziologické působení a biologická úloha

Ruthenium se jeví jako stopový prvek. Je to jediný platinový kov, který se nachází ve složení živých organismů (podle některých zdrojů je to také platina). Koncentruje se především ve svalové tkáni.