Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение рутений среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 134 pm — это 0,134 нм, поэтому около 3,73 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Рутений находится в жидком состоянии в диапазоне 1816 K — от 2607 K до 4423 K.
Положение
История
Металл платиновой группы, который упрочняет соседние элементы и катализирует синтез аммиака.
Открытие рутения в 1844 году — одна из самых продолжительных детективных историй в химии. Её разгадал польский химик Карл Эрнст Клаус в Казанском университете в России. Методичный подход и химическая интуиция Клауса позволили ему идентифицировать четвёртого представителя того, что сейчас называют металлами платиновой группы.
История начинается в 1827 году, когда Готфрид Озанн, немецкий химик, заявил об открытии трёх новых элементов в платиновых рудах Уральских гор. Он назвал их плуранием, рутением и полинием. Однако химические методы Озанна были недостаточны для правильного выделения и характеристики предполагаемых элементов, поэтому научное сообщество отнеслось к его заявлениям скептически.
Йёнс Якоб Берцелиус, известный шведский химик, исследовал заявления Озанна в 1828 году, но пришёл к выводу, что предполагаемые новые элементы на самом деле были смесями известных металлов платиновой группы с кремнезёмом и другими примесями. Эта неудача более чем на десятилетие остановила дальнейшие исследования возможных новых металлов платиновой группы.
Карл Клаус подошёл к проблеме, применив более совершенные аналитические методы и проявив исключительное терпение. Работая с остатками платиновой руды, которые оставались после извлечения платины, палладия, родия и иридия, Клаус предположил, что в сложной смеси могут скрываться дополнительные элементы.
В результате кропотливого химического разделения, включавшего многократную обработку кислотами, реакции осаждения и этапы кристаллизации, Клаус постепенно выделил новое вещество, свойства которого отличались от свойств всех известных элементов. Он получил элемент в чистом металлическом виде и тщательно изучил его химические и физические свойства.
Клаус выбрал название «рутений» от слова «Ruthenia» — латинского названия России, отдав дань уважения своей новой родине, где он проводил исследования. Это название также связывало элемент с местом его открытия — российскими платиновыми рудами.
Научное сообщество поначалу осторожно встретило сообщение Клауса, учитывая предыдущие ошибочные заявления. Однако его подробная документация и воспроизводимость результатов вскоре убедили скептиков. Другие химики подтвердили его выводы, следуя подробным процедурам Клауса и получая идентичные результаты.
Открытие Клауса завершило идентификацию шести металлов платиновой группы (платины, палладия, родия, иридия, осмия и рутения), которые встречаются вместе в природе. Его работа продемонстрировала важность терпеливого, систематического анализа при выявлении новых элементов в сложных природных смесях.
Открытие имело глубокое значение для понимания атомной структуры и химической периодичности. Положение рутения в периодической таблице помогло подтвердить периодический закон Дмитрия Менделеева и дало представление об электронной структуре переходных металлов.
Сегодня мы рассматриваем открытие Клауса как основу электронной промышленности. Без рутения современные системы хранения данных, передовой катализ и точная электроника были бы невозможны. Его кропотливая химическая детективная работа в 1844 году сделала возможными технологии, определяющие нашу цифровую эпоху.
Применение
Рутений — один из наиболее важных с технологической точки зрения металлов платиновой группы. Он применяется в самых передовых электронных устройствах и медицинском оборудовании, спасающем жизни. Исключительная коррозионная стойкость и уникальные каталитические свойства делают его незаменимым в современной промышленности.
Электронная промышленность потребляет наибольшую часть производимого рутения. Жёсткие диски используют магнитные слои на основе рутения для сверхплотного хранения данных. Эти тонкие плёнки, часто толщиной всего в несколько атомов, позволяют современным компьютерам хранить терабайты информации в компактном пространстве. Магнитные свойства и химическая стабильность рутения делают его незаменимым в этой области.
При производстве резисторов используют оксид рутения (RuO₂) для создания толстоплёночных резисторов, которые есть практически в каждом электронном устройстве. Эти резисторы обеспечивают точные значения электрического сопротивления, необходимые для правильной работы схем в смартфонах, компьютерах и промышленном оборудовании.
Катализаторы на основе рутения обеспечивают важнейшие промышленные процессы. При синтезе аммиака рутениевые катализаторы превосходят традиционные железные катализаторы: они работают при более низких давлениях и температурах, обеспечивая при этом более высокую степень превращения. Это достижение может произвести революцию в производстве удобрений и потенциально помочь прокормить ещё миллиарды людей.
В процессе Фишера—Тропша рутениевые катализаторы используются для превращения синтез-газа (оксида углерода и водорода) в жидкие углеводороды, создавая возможность производить чистое топливо из угля, природного газа или биомассы. Эта технология становится всё более важной по мере того, как страны стремятся к энергетической независимости и поиску более экологичных видов топлива.
Сплавы рутения значительно улучшают свойства других металлов. Титано-рутениевые сплавы сочетают малый вес титана с коррозионной стойкостью рутения, создавая материалы, идеально подходящие для аэрокосмической техники, оборудования для химической переработки и медицинских имплантатов, которые должны десятилетиями работать в агрессивной биологической среде.
Электрические контакты в высокопроизводительных переключателях и реле содержат рутений, предотвращая коррозию и обеспечивая надёжное электрическое соединение даже после миллионов циклов переключения. Эти компоненты имеют решающее значение для автомобильной электроники, промышленных систем управления и телекоммуникационного оборудования.
Исследования в области технологии солнечных элементов показывают, что красители на основе рутения значительно повышают эффективность сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Такие элементы могут обеспечить доступные решения для получения солнечной энергии в развивающихся странах и удалённых местах, где традиционные кремниевые панели непрактичны.
В сфере лечения рака комплексы рутения применяются как химиотерапевтические препараты, которые воздействуют на раковые клетки точнее, чем традиционные препараты на основе платины, что потенциально снижает побочные эффекты и повышает эффективность лечения.
Каждый смартфон, ноутбук и планшет содержит рутений в своих магнитных слоях хранения данных на жёстком диске. Сохраняя фотографию, загружая приложение или записывая музыку, вы полагаетесь на магнитные свойства рутения, которые надёжно сохраняют эти данные в течение многих лет.
Электронные резисторы, содержащие оксид рутения, регулируют электрический ток практически в каждом электронном устройстве. От зарядной схемы телефона до системы управления питанием автомобиля — эти крошечные компоненты обеспечивают безопасную и эффективную работу.
В современных автомобилях всё чаще используют электрические контакты с добавлением рутения в таких важных системах, как управление впрыском топлива, антиблокировочная тормозная система и компьютеры управления двигателем. Эти контакты должны надёжно работать при резких перепадах температуры и выдерживать миллионы циклов переключения в течение срока службы автомобиля.
Оборудование для химической переработки в отраслях, производящих пластмассы, фармацевтические препараты и специальные химические вещества, использует исключительную коррозионную стойкость рутения. Реакторные сосуды и трубопроводные системы, покрытые сплавами, содержащими рутений, выдерживают самые агрессивные химические среды без разрушения.
Высокопроизводительные электрические переключатели на электростанциях, производственных предприятиях и в центрах обработки данных используют контакты на основе рутения, обеспечивая надёжную работу даже при переключении высоких напряжений и токов тысячи раз в день.
Лабораторное оборудование и аналитические приборы часто оснащают рутениевыми электродами благодаря их химической инертности и электрическим свойствам. Эти электроды позволяют проводить точные измерения в исследованиях, развивающих медицину, материаловедение и экологический мониторинг.
Перо перьевых ручек в дорогих письменных принадлежностях часто покрывают рутением благодаря его твёрдости и коррозионной стойкости, что обеспечивает плавное письмо на протяжении десятилетий. В ювелирных изделиях класса люкс используют рутениевое покрытие для создания выразительной чёрной отделки, устойчивой к потускнению и износу.
Откуда он происходит
0,001 мг/кг земной коры · более распространён, чем 32% элементов
Рутений относится к редчайшим элементам Земли: его средняя распространённость в земной коре составляет всего 0.001 части на миллион (1 ppb). Чтобы представить эту исключительную редкость, достаточно отметить, что для извлечения всего одного килограмма рутения пришлось бы переработать примерно 100 миллионов тонн обычной породы земной коры. Рутений примерно в 10 000 раз реже золота.
Крупнейшие в мире месторождения рутения расположены в Бушвельдском комплексе Южной Африки — массивном слоистом магматическом массиве, сформировавшемся 2 миллиарда лет назад. В этой геологической формации находятся крупнейшие мировые запасы металлов платиновой группы; рутений сосредоточен в отдельных слоях вместе с платиной, палладием и родием.
Норильский регион России — ещё один крупный источник, где рутений встречается в медно-никелевых сульфидных рудах, образовавшихся в результате древней вулканической активности. Суровые арктические условия затрудняют добычу, но высокая концентрация металлов оправдывает затраты.
Садберийский бассейн Канады, образовавшийся в результате мощного метеоритного удара 1.85 миллиарда лет назад, содержит значительные месторождения рутения, связанные с никелевыми и медными рудами. Ударное событие сконцентрировало эти металлы посредством уникальных геологических процессов, которые невозможно воспроизвести.
Исключительная редкость рутения обусловлена его сидерофильной природой: он преимущественно связывается с железом и в процессе формирования планеты опустился к земному ядру. Большая часть доступного на поверхности рутения попала туда благодаря более поздним геологическим процессам: вулканической активности, выносящей глубинные материалы вверх, метеоритным ударам и гидротермальной циркуляции.
Металлы платиновой группы, включая рутений, часто встречаются вместе в слоистых магматических комплексах, где медленное охлаждение позволяло различным минералам кристаллизоваться в отдельных слоях. Эти формации относятся к важнейшим с экономической точки зрения геологическим объектам Земли.
Рутений образуется посредством процессов захвата нейтронов в умирающих звёздах, особенно во время взрывов сверхновых. Ядерная структура элемента требует экстремальных условий, существующих только в ядрах звёзд и при взрывных звёздных событиях. Запасы рутения на Земле представляют собой накопившиеся остатки бесчисленных древних сверхновых, обогативших солнечную туманность до формирования нашей планеты.
Извлечение рутения требует переработки огромных объёмов руды — обычно 10–20 тонн руды дают всего одну унцию рутения. Сложные металлургические процессы делают рутений одним из самых дорогих в производстве элементов, что способствует его высокой рыночной стоимости и стимулирует переработку.
Обращение
Металлический рутений в чистом металлическом виде представляет минимальный риск для здоровья. Массивный металл химически инертен в обычных условиях и создаёт главным образом физические опасности: острые края или травмы при ударах во время работы.
Токсичность соединений рутения значительно различается. Тетраоксид рутения (RuO₄) представляет наибольшую опасность: это летучее соединение может вызвать сильное раздражение дыхательных путей и химические ожоги. Оно особенно опасно, поскольку легко проникает через кожу и слизистые оболочки.
Хлориды рутения и другие соли могут вызывать раздражение кожи и глаз. Длительное воздействие может привести к аллергической сенсибилизации, из-за чего последующее воздействие станет более опасным даже при меньших концентрациях.
Средства индивидуальной защиты (СИЗ): при работе с соединениями рутения всегда надевайте нитриловые или неопреновые перчатки. Стандартные латексные перчатки обеспечивают недостаточную защиту. Используйте защитные очки с боковыми щитками и работайте в хорошо проветриваемых помещениях или вытяжных шкафах.
Меры борьбы с пылью имеют решающее значение при работе с порошкообразным рутением или его соединениями. Используйте системы фильтрации HEPA и не допускайте образования взвешенных частиц при шлифовании, резке или интенсивном перемешивании.
При попадании на кожу: немедленно снимите загрязнённую одежду и промывайте поражённые участки большим количеством воды не менее 15 минут. Обратитесь за медицинской помощью, если раздражение сохраняется или воздействию подверглись концентрированные растворы.
При попадании в глаза: промывайте глаза чистой водой не менее 15 минут, удерживая веки открытыми для тщательного промывания. Снимите контактные линзы, если они есть и их легко снять. Немедленно обратитесь за медицинской помощью.
При вдыхании: немедленно выйдите на свежий воздух. При возникновении затруднённого дыхания обратитесь за экстренной медицинской помощью. Воздействие тетраоксида рутения требует немедленного медицинского вмешательства.
Требования к хранению: храните соединения рутения в плотно закрытых контейнерах вдали от влаги, кислот и окислителей. Храните их в прохладных сухих местах с надлежащей вторичной защитной ёмкостью.
Утилизация отходов: из-за высокой ценности рутения большинство предприятий извлекают и перерабатывают содержащие рутений отходы. Обращайтесь к специализированным компаниям по возврату драгоценных металлов, а не утилизируйте их как опасные отходы. Никогда не выбрасывайте соединения рутения в обычный мусор и не сливайте их в канализацию.
Краткие ответы
Рутений (символ Ru) — элемент 44 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 5 периоде, 8 группе. Металл платиновой группы, который упрочняет соседние элементы и катализирует синтез аммиака. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d⁷ 5s¹; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 15, 1.Рутений плавится при 2607 K (2333.9 °C) и кипит при 4423 K (4149.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Рутений составляет 101.07 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Рутений составляет 12.45 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Рутений примерно в 12.5× тяжелее.
Электроотрицательность Рутений по шкале Полинга составляет 2.2. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Рутений был открыт в 1844 году Karl Ernst Klaus. Назван в честь латинское Ruthenia, Россия.
На долю Рутений приходится около 0.001 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.