• POP
• Windows
• Antivirus
• Antivirus
• Grafisk konst

Historien om upptäckten av det kemiska grundämnet rutenium. Rutenium. egenskaper hos rutenium. Användningen av rutenium. Upptäck och bevisa

Ruthenium är den lättaste och minst "ädla" av alla platinagruppens metaller. Det är kanske det mest "multivalenta" elementet (nio valenstillstånd är kända). Trots mer än ett halvt sekel av forskningshistoria ställer det fortfarande många frågor och problem för moderna kemister idag. Så vad är rutenium som ett kemiskt element? Till att börja med en kort utvikning i historien.

Mystisk och rik

Namnet och historien om upptäckten av rutenium är oupplösligt förknippade med Ryssland. I början av XΙX-talet var världssamfundet upphetsat och oroligt över nyheten att de rikaste fyndigheterna av platina upptäcktes i det ryska imperiet. Det gick rykten om att utvinningen av denna ädla metall i Ural kunde utföras med en vanlig spade. Faktumet om upptäckten av rika fyndigheter bekräftades snart av det faktum att Rysslands finansminister, E.F. Kankrin, skickade det högsta dekretet om att prägla mynt från platina till St. Petersburgs myntverk. Under de följande åren sattes cirka en och en halv miljon mynt (3,6 och 12 rubel) i omlopp, för produktionen av vilka 20 ton ädelmetall användes.

"Upptäckt" Ozanna

Professor Gottfried Ozann från Derpt-Yuryevsky (nu Tartu) universitet började studera sammansättningen av Urals dyrbara malm. Han kom fram till att platina åtföljs av tre okända metaller - polynom, polynom och rutenium - vars namn gavs av Ozann själv. Förresten, han namngav den tredje för att hedra Ryssland (från det latinska Ruthenia).

Ozannes kollegor i hela Europa, med den mest auktoritativa svenska kemisten Jens Berzelius i spetsen, var mycket kritiska till professorns rapport. I ett försök att rättfärdiga sig själv upprepade vetenskapsmannen en serie av sina experiment, men de tidigare resultaten kunde inte uppnås.

Två decennier senare blev professorn i kemi Karl Karlovich Klauss (Kazan University) intresserad av Ozannes arbete. Han fick tillstånd från finansministern att få flera pund kvarvarande myntproduktion från myntverkets laboratorium för omprövning.

Den ryske akademikern A.E. Arbuzov noterade i sina skrifter att för att upptäcka ett nytt element på den tiden behövde en kemist extrem flit och uthållighet, observation och insikt, och viktigast av allt, en subtil experimentell stil. Alla ovanstående egenskaper fanns i högsta grad inneboende i den unge Karl Klauss.

Forskarens forskning hade och praktiskt värde- ytterligare utvinning av ren platina från malmrester. Efter att ha utvecklat sin egen plan för experimentet smälte Klauss malmmaterialet med salpeter och extraherade lösliga grundämnen: osmium, iridium, palladium. Den olösliga delen exponerades för en blandning av koncentrerade syror ("aqua regia") och destillation. I fällningen av järnhydroxid upptäckte han närvaron av en okänd metall och isolerade den först i form av sulfid och sedan i ren form (cirka 6 gram). Professorn behöll det namn som Ozann föreslagit för grundämnet - rutenium.

Upptäck och bevisa

Men som det visade sig, historien om upptäckten kemiskt element rutenium hade precis börjat. Efter publiceringen av resultaten av studien 1844 föll ett hagel av kritik över Clauss. Slutsatserna från den okända Kazan-forskaren mottogs skeptiskt av de största kemisterna i världen. Inte ens att skicka ett prov av det nya elementet till Berzelius räddade situationen. Enligt den svenske mästaren var Klaus rutenium endast "ett prov av orent iridium".

Endast de enastående egenskaperna hos Karl Karlovich som analytisk kemist och experimenterare och en serie ytterligare studier tillät vetenskapsmannen att bevisa sitt fall. År 1846 fick upptäckten officiellt erkännande och bekräftelse. För sitt arbete tilldelades Klauss Demidov-priset från den ryska vetenskapsakademin till ett belopp av 10 tusen rubel. Tack vare Kazan-professorns talang och uthållighet anslöt sig rutenium till platinoider - det första elementet som upptäcktes i Ryssland (och idag, tyvärr, det enda i den ryska kemiska skolan).

Vidare forskning

Användningsområden

Även om alla egenskaper hos ädelmetallen i rutenium är fullt närvarande, har elementet inte fått någon bred spridning inom smyckesindustrin. Det används endast för att stärka legeringar och göra dyra smycken mer hållbara.

När det gäller mängden rutenium som förbrukas är industrisektorerna ordnade i följande ordning:

1. Elektronisk.
2. Elektrokemisk.
3. Kemisk.

De katalytiska egenskaperna hos elementet är mycket efterfrågade. Det används vid syntes av cyanväte och salpetersyra, vid produktion av mättade kolväten, glycerin och polymerisation av eten. Inom den metallurgiska industrin används ruteniumtillsatser för att öka korrosionsskyddet, för att ge legeringar styrka, kemisk och mekanisk beständighet. Radioaktiva isotoper av rutenium hjälper ofta forskare i deras forskning.

Många föreningar av grundämnet har också funnit tillämpning som bra oxidationsmedel och färgämnen. I synnerhet används klorider för att förbättra luminescensen.

biologisk betydelse

Ruthenium har förmågan att ackumuleras i cellerna i levande vävnader, främst muskelvävnad (den enda metallen i platinagruppen). Det kan provocera utvecklingen av allergiska reaktioner, ha en negativ effekt på slemhinnan i ögonen och övre luftvägarna.

Inom medicinen används ädelmetallen som ett sätt att känna igen drabbade vävnader. Läkemedel baserade på det används för att behandla tuberkulos och olika infektioner som påverkar mänsklig hud. Av denna anledning ser det mycket lovande ut att använda ruteniums förmåga att bilda stabila nitrosokomplex i kampen mot sjukdomar förknippade med en överdriven koncentration av nitrater i människokroppen (hypertoni, artrit, septisk chock och epilepsi).

Vem är skyldig?

Ganska nyligen har västeuropeiska vetenskapsmän allvarligt stört allmänheten med ett budskap om att innehållet i den radioaktiva isotopen rutenium Ru 106 växer över kontinenten. Experter utesluter helt dess självbildning i atmosfären. Förutom ett oavsiktligt utsläpp från ett kärnkraftverk, sedan dess skulle radionuklider av cesium och jod nödvändigtvis finnas i luften, vilket inte bekräftas av experimentella data. Effekten av denna isotop på människokroppen, som alla radioaktiva element, leder till bestrålning av vävnader och organ, utveckling av cancer. Möjliga källor till förorening, enligt västerländska medier, finns på Rysslands, Ukrainas eller Kazakstans territorium.

Som svar sa en representant för Rosatoms kommunikationsavdelning att alla företag i det statliga företaget arbetade och arbetar i normala lägen. Internationella atomenergiorganet (IAEA) kallade enligt sin åsikt, baserat på sina egna övervakningsdata, alla anklagelser mot Ryska Federationen grundlös.

Ruthenium är ett element i en sidoundergrupp av den åttonde gruppen av den femte perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendeleev, atomnummer 44. Det betecknas med symbolen Ru (lat. Rutenium).

Historien om upptäckten av detta element började i Ryssland, när avlagringar av platina upptäcktes i Ural på 20-talet av 1800-talet. Nyheten om denna upptäckt spreds snabbt över världen och orsakade mycket oro och oro på den internationella marknaden. Bland utländska spekulanter gick det rykten om monstruösa nuggets, om platinasand, som platinagruvarbetare öser direkt med spadar. Platinafyndigheter visade sig verkligen vara rika, och greve Kankrin, som vid den tiden var Rysslands finansminister, beordrade prägling av platinamynt. Mynt började präglas i valörer på 3,6 och 12 rubel. 1 400 000 platinamynt gavs ut, för vilka mer än 20 ton inhemsk platina användes.

Under året då Kankrins beordrades att prägla mynt, kom Ozann, professor vid Yuryev University, som undersökte prover av Ural-platina, till slutsatsen att platina åtföljdes av tre nya metaller. Ozann kallade en av dem semi-ran, den andra - polynom, och den tredje för att hedra det latinska namnet. Ryssland - Ruthenium gav ett namn - rutenium. Kemister hälsade Ozannes "upptäckt" med misstro. Särskilt protesterade den svenske kemisten Berzelius, vars auktoritet vid den tiden verkligen var världsomfattande. Tvisten som uppstod mellan Ozann och Berzelius åtog sig att lösa professorn i kemi vid Kazan University K. K. Klaus. Efter att ha fått till sitt förfogande en liten mängd rester från präglingen av ett platinamynt upptäckte Klaus en ny metall i dem, bakom vilken han behöll namnet rutenium som föreslagits av Ozann. Den 13 september 1844 gjorde Klaus en rapport vid Vetenskapsakademien om ett nytt grundämne och dess egenskaper. 1845 publicerades Klaus rapport med titeln "Kemiska studier av resterna av Ural platinamalm och ruteniummetall" som en separat bok. "... En liten mängd material studerat - inte mer än sex gram helt ren metall- tillät mig inte att fortsätta min forskning, "skrev Klaus i sin bok. Men de data som erhölls om egenskaperna hos den nya metallen gjorde det möjligt för Klaus att bestämt deklarera upptäckten av ett nytt kemiskt element.

Klaus ville bekanta utländska forskare med upptäckten av ett nytt element och skickade ett prov av metallen till Berzelius. Berzelius svar var minst sagt konstigt. Att ha i handen nytt element med en utförlig beskrivning av fastigheterna höll han inte med om Klaus åsikt. Berzelius uppgav att metallen som fick från Klaus var "ett prov av orent iridium", ett sedan länge känt grundämne. Berzelius tvingades senare erkänna sitt misstag.

Separationen av platinametaller och få dem i sin rena form (raffinering) är mycket svår uppgift, vilket kräver mycket arbete, tid, dyra reagenser, samt hög skicklighet. Native platina, platina "skrot" och andra material behandlas först med "royal vodka" med låg värme. I detta fall passerar platina och palladium helt in i lösningen i form av H2 och H2, koppar, järn och nickel - i form av klorider CuCl2, FeCl3, NiCl2. Rodium och iridium är delvis upplösta i form av H3 och H2. Återstoden som är olöslig i aqua regia består av en förening av osmium med iridium, samt tillhörande mineraler (kvarts SiO2, kromjärnmalm FeCr2O4, magnetisk järnmalm Fe3O4 etc.) Efter filtrering av lösningen fälls platina ut från den med ammonium klorid. Men för att fällningen av ammoniumhexaklorplatinat inte ska innehålla iridium, som också bildar svårlöslig ammoniumhexakloriridit (IV) (NH4)2, är det nödvändigt att reducera Ir (IV) till Ir (III). Detta görs genom tillsats av till exempel rörsocker C12H22O14 (metod för I.I. Chernyaev). Ammoniumhexakloriridit (III) är lösligt i vatten och ammoniumklorid fälls inte ut. Fällningen av ammoniumhexaklorplatinat filtreras av, tvättas, torkas och kalcineras. Den resulterande platinasvampen pressas och smälts sedan samman i en syre-väte låga eller i en elektrisk högfrekvensugn. Palladium, rodium och iridium extraheras från filtret från ammoniumhexaklorplatinat; Iridium, osmium och rutenium isoleras från iridiumlegeringen. De kemiska operationerna som krävs för detta är mycket komplexa. För närvarande är den huvudsakliga källan till platinametaller koppar-nickelsulfidmalmer. Som ett resultat av deras komplexa bearbetning smälts de så kallade "grova" metallerna - förorenat nickel och koppar. Under deras elektrolytiska raffinering ansamlas ädelmetaller i form av anodslam, som skickas till raffinering.

En betydande källa till rutenium för dess utvinning är dess isolering från klyvningsfragment av kärnmaterial (plutonium, uran, torium), där dess innehåll i använt bränslestavar når 250 gram per ton "bränt" kärnbränsle.

När det gäller eldfasthet (Smälta 2250 ° C) är rutenium endast sämre än flera element - rhenium, osmium, volfram.

De mest värdefulla egenskaperna hos Ruthenium är eldfasthet, hårdhet, kemisk beständighet och förmågan att påskynda vissa kemiska reaktioner. Föreningar med valens 3+, 4+ och 8+ är mest karakteristiska. Det tenderar att bilda komplexa föreningar. Den används som katalysator, i legeringar med platinametaller, som material för vassa spetsar, för kontakter, elektroder och i smycken.

Ruthenium och osmium är spröda och mycket hårda. Under inverkan av syre och starka oxidationsmedel bildar de RuO4- och OsO4-oxider. Dessa är lågsmältande gula kristaller. Ångorna från båda föreningarna har en skarp, obehaglig lukt och är mycket giftiga. Båda föreningarna avger lätt syre och reduceras till RuO2 och OsO2 eller till metaller. Med alkalier ger RuO4 salter (rutenater): 2Ru04 + 4KOH = 2K2RuO4 + 2H2O + O2

• En liten tillsats av rutenium (0,1%) ökar korrosionsbeständigheten hos titan.
• I en legering med platina används den för att göra extremt slitstarka elektriska kontakter.
• Katalysator för många kemiska reaktioner. En mycket viktig plats för rutenium som katalysator i vattenreningssystemen i orbitalstationer.

Unik är också ruteniums förmåga att katalytiskt binda atmosfäriskt kväve vid rumstemperatur.

Rutenium och dess legeringar används som värmebeständiga strukturmaterial inom flygteknik, och upp till 1500 °C är överlägsna i styrka jämfört med bästa legeringar molybden och volfram (som har fördelen av hög oxidationsbeständighet också).

Under de senaste åren har ruteniumoxid studerats mycket som ett material för produktion av superkondensatorer för elektrisk kraft, med en specifik elektrisk kapacitet på över 700 Farad/gram.

Användning av rutenium för att odla grafen

Forskare från Brookhaven National Laboratory (USA) har visat att under den epitaxiella tillväxten av grafen på Ru(0001)-ytan bildas makroskopiska grafenregioner. I det här fallet fortsätter tillväxten lager för lager, och även om det första lagret är starkt bundet till substratet, interagerar det andra lagret praktiskt taget inte med det och behåller alla unika egenskaper hos grafen.

Syntesen bygger på att kolets löslighet i rutenium starkt beror på temperaturen. Vid 1150°C är rutenium mättat med kol, och när temperaturen sjunker till 825°C kommer kol till ytan, vilket resulterar i bildandet av grafenöar större än 100 µm. Öarna växer och förenas, varefter tillväxten av det andra lagret börjar.

Rutenium (enligt innehåll i platinamalmer) är den sällsynta bland platinametaller. Det upptäcktes av Kazan-professorn Klaus, som 1844 hittade ett nytt element i resterna av Ural platinamalmen, som han kallade rutenium (från det sena latinska Ruthenia - Ryssland). Klaus fick rent rutenium, studerade dess kemiska egenskaper, bestämde dess atomvikt och pekade på likheterna mellan triaderna rutenium - rodium - palladium och osmium - iridium - platina.
Ruthenium är en satellit av platina. Det finns huvudsakligen i osmiridium - återstoden efter separation av platinamalmer med aqua regia. Mycket sällan finns det också i form av ett oberoende mineral - laurit, ruteniumsulfid RuS 2 innehållande osmium.

Mottagande:

Rester från platinaraffinering eller kopparelektroraffinering omvandlas till (NH 4) 2 , som kalcineras till RuO 2 , den senare reduceras med väte.
I kolloidalt tillstånd kan rutenium erhållas genom att reducera dess salter med hydrazin i närvaro av gummi arabicum eller med akrolein.
För närvarande kan använt bränsle från kärnkraftverk också tjäna som en källa till rutenium, eftersom det är en av klyvningsprodukterna från kärnmaterial (plutonium, uran, torium).

Fysikaliska egenskaper:

Ruthenium, beroende på metoden för dess tillverkning, är en matt grå eller silvervit glänsande metall med extremt hög hårdhet; den är dock så ömtålig att den lätt kan malas till pulver. Det är mycket eldfast och smälter vid en mycket högre temperatur än platina. I en elektrisk ljusbåge under smältning avdunstar Ru samtidigt. Den går även över i gasfasen vid kraftig förbränning i luft, men i detta fall är det inte metallen som flyger utan tetroxiden som är stabil vid mycket höga temperaturer.

Kemiska egenskaper:

I frånvaro av atmosfäriskt syre påverkar ingen syra, inte ens aqua regia, rutenium. Men saltsyra som innehåller luft löser den långsamt vid normal temperatur och vid 125 ° (i ett förseglat rör) till och med ganska snabbt. Vid upphettning i luft blir rutenium svart på grund av ytoxidation. Fluor verkar på pulveriserat rutenium redan under temperaturen för röd värme, och klor - vid röd värme. Rutenium i pulverform reagerar med svavel endast under speciella förhållanden. Med fosfor bildar den föreningen RuP2 och RuP och Ru2P; med arsenik, såväl som platina, ger rutenium diarseniden RuAs 2 . Alkalier i närvaro av syre eller ämnen som lätt avger syre, till exempel blandningar av KOH med KNO 3 eller K 2 CO 3 med KCIO 3, samt peroxider, till exempel Na 2 O 2 eller BaO 2, vid höga temperaturer agera kraftigt på rutenium och bildas med neemrutenater(VI) M 1 2 RuO 4 . Tc2O7.

De viktigaste anslutningarna:

Ruteniumdioxid RuO 2 erhålls i form av ett blåsvart pulver genom att värma pulvriserat rutenium, klorid eller dess sulfid i en ström av syre. RuO 2 reduceras av väte vid låga temperaturer, vid mycket höga temperaturer börjar RuO 2 sönderdelas till rutenium och syre.
Ruteniumtetroxid RuO 4 erhålls genom att passera klor genom en lösning av alkalimetallrutenater eller genom att tillsätta ett överskott av alkali till lösningar av ruteniumsalter; den bildar gula nålar som smälter vid 25° till en orange vätska. Vid upphettning, cirka 108 °, RuO 4 c kraftig explosion sönderdelas till RuO2 och O2. Ruteniumtetroxid reagerar extremt kraftigt med organiska ämnen, dess reaktion med alkohol sker med en explosion.
Ruteniumpentakarbonyl Ru(CO) 5 flyktig vätska, antänds i luft. Den används för att applicera Ru-beläggningar på glas, keramik och metaller.
Komplexa föreningar av ruteniumär väldigt många. I synnerhet kan det bilda en bindning i dem även med en så ovanlig ligand som molekylärt kväve, vilket till exempel bildar Cl2-föreningen.

Ansökan:

Produktion av katalysatorer, dekorativa och skyddande beläggningar, legeringar. Små tillsatser av rutenium ökar i allmänhet legeringens korrosionsbeständighet, styrka och hårdhet, vilket är värdefullt för produktion av slitstarka elektriska kontakter.
Årsproduktionen av rutenium 2009 uppskattades till cirka 18 ton.

G. Elfimova

Se även:
Fedorenko N.V. KKKlaus: upptäckten av rutenium. Kemi i skolan, 1977, nr 4
Shulchus A. Flera berättelser om upptäckten av rutenium Kemi i skolan, 2010, nr 9 s. 79

Berättelse

namnets ursprung

Mottagande

Rutenium erhålls som ett "avfall" från raffinering av platina och platinametaller.

En betydande källa till rutenium för dess utvinning är dess isolering från klyvningsfragment av kärnmaterial (plutonium, uran, torium), där dess innehåll i använt bränslestavar når 250 gram per ton använt kärnbränsle.

En teknik har också utvecklats för att framställa rutenium från teknetium-99 med neutronbestrålning av molybden.

Produktion, reserver och pris

Fysiska och kemiska egenskaper

Isotopisk sammansättning

Naturligt rutenium har sju stabila isotoper:

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

Fysikaliska egenskaper

Genom eldfasthet ( T pl \u003d 2334 ° C) rutenium är näst efter ett fåtal element - rhenium, osmium, molybden, iridium, volfram, tantal och niob.

Kemiska egenskaper

Ruthenium är en mycket inert metall.

oorganiska föreningar

Organisk kemi av rutenium

Ruthenium bildar ett antal organometalliska föreningar och är en aktiv katalysator.

Ansökan

• En liten tillsats av rutenium (0,1%) ökar korrosionsbeständigheten hos titan.
• I en legering med platina används den för att göra extremt slitstarka elektriska kontakter.
• Ruteniumdioxid och vismutrutenater används i tjockfilmsmotstånd. Dessa två applikationer inom elektronik förbrukar cirka 50 % av det rutenium som produceras.
• Katalysator för många kemiska reaktioner. En mycket viktig plats för rutenium som katalysator i vattenreningssystemen i orbitalstationer.
• Ruthenium red en används som en kompetitiv antagonist för studier av jonkanaler (CatSper1, TASK, RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6, TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1) .

Unik är också ruteniums förmåga att katalytiskt binda atmosfäriskt kväve vid rumstemperatur. En upptäckt som gjordes experimentellt av forskare vid University of Minnesota 2018 visar att det kemiska grundämnet rutenium är det fjärde grundämnet med unika magnetiska egenskaper vid rumstemperatur. Tills nyligen var endast tre stabila magnetiska element kända för människor, järn (Fe), kobolt (Co), nickel (Ni) och delvis gadolinium (Gd), som förlorar sina magnetiska egenskaper vid temperaturer över 8 grader Celsius. Upptäckten av ett nytt magnetiskt material kan leda till utvecklingen av nya typer av sensorer, lagringsenheter, informationsbehandling och en mängd andra elektroniska och elektromekaniska enheter. Förutom traditionell teknik som använder de magnetiska egenskaperna hos material, kan uppkomsten av ett nytt magnetiskt material spela en viktig roll i ytterligare utveckling ett antal nya riktningar, såsom spintronics. Detta kommer att gynnas av det faktum att teknikerna för att odla tunna filmer och skapa nanostrukturer redan har nått den nivå som tillåter produktion av material med unika egenskaper som samma material av naturligt ursprung inte har.

Ruthenium och dess legeringar finner användning som höinom rymdteknik, och upp till 1500°C är överlägsna i styrka de bästa legeringarna av molybden och volfram (med fördelen av hög oxidationsbeständighet också).

Fysiologisk verkan och biologisk roll

Ruthenium verkar vara ett spårämne. Det är den enda platinametallen som finns i sammansättningen av levande organismer (enligt vissa källor är det också platina). Det är koncentrerat främst i muskelvävnad.