44 Ru 101.07
过渡金属 d-block Period 5 Group 8

Ru · Element 44 · Iron group

A platinum-group metal that hardens its neighbours and catalyses ammonia synthesis.

20°C时的状态 固态
原子量 101.07 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d⁷ 5s¹

结构

钌 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示钌在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 12.45 g/cm³ 74%
熔点 2607 K 93%
沸点 4423 K 89%
比热容 0.238 J/g·K
热导率 117 W/m·K 85%

原子

原子半径 134 pm 21%
共价半径 146 pm
范德华半径 207 pm

电子

电负性 2.2 78%
电离能 710.1 kJ/mol 52%
电子亲和能 101.3 kJ/mol 68%

存在

地壳中的丰度 0.001 mg/kg 32%

身份

符号Ru
原子序数44
原子量101.07 u
类别过渡金属
d
晶体结构六方密排
氧化态-2, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7, +8
发现时间1844
发现者Karl Ernst Klaus

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钌 atom?

Radius 134 pm — that is 0.134 nm, so about 3731 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钌 is liquid over a 1816 K window, from 2607 K to 4423 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 5, group 8. Everything in group 8 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 过渡金属

All 过渡金属

故事

钌 是什么,以及我们如何发现它

A platinum-group metal that hardens its neighbours and catalyses ammonia synthesis.

The discovery of 钌

发现历程

波兰化学家的探索

钌于1844年被发现,这是化学史上最具坚持精神的侦探故事之一。最终,俄国喀山大学的波兰化学家Karl Ernst Claus解决了这一难题。Claus严谨的方法和化学直觉使他鉴定出如今所称铂族金属中的第四种金属。

早期尝试与错误声明

故事始于1827年,当时Gottfried Osann这位德国化学家声称,他在乌拉尔山脉的铂矿中发现了三种新元素。他将其命名为pluranium、ruthenium和polinium。然而,Osann的化学技术不足以正确分离和表征这些所谓的新元素,他的声明遭到了科学界的质疑。

著名的瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius于1828年调查了Osann的声明,但得出结论:所谓的新元素实际上是已知铂族金属与二氧化硅及其他杂质的混合物。这次挫折使人们对潜在的新铂族元素的进一步研究停滞了十多年。

Claus的突破

Karl Claus凭借更先进的分析技术和坚定的耐心处理这一问题。他研究的是提取铂、钯、铑和铱后剩余的铂矿残渣,并怀疑这种复杂混合物中可能还隐藏着其他元素。

通过涉及多次酸处理、沉淀反应和结晶步骤的艰苦化学分离,Claus逐渐分离出一种性质不同于所有已知元素的新物质。他以纯金属形态获得了这种元素,并仔细表征了它的化学和物理性质。

命名与认可

Claus从“Ruthenia”中选择了“ruthenium”这个名称;“Ruthenia”是俄罗斯的拉丁名称,用以纪念他开展研究的收养国。这一命名也将该元素与其在俄罗斯铂矿中的发现地点联系起来。

鉴于此前的错误声明,科学界最初谨慎地看待Claus的公告。然而,他详尽的记录和结果的可重复性很快说服了质疑者。其他化学家通过遵循他的详细步骤并获得相同结果,证实了他的发现

遗产与影响

Claus的发现完成了六种天然共存的铂族金属的鉴定:铂、钯、铑、铱、锇和钌。他的工作展示了耐心、系统的分析在从复杂天然混合物中鉴定新元素方面的重要性。

这一发现对理解原子结构和化学周期性产生了深远影响。钌在元素周期表中的位置帮助验证了Dmitri Mendeleev的周期律,并为理解过渡金属的电子结构提供了新的见解。

现代意义

如今,我们认为Claus的发现是电子行业的基础。没有钌,现代数据存储、先进催化和精密电子技术都将无法实现。他于1844年进行的耐心化学侦探工作促成了定义我们数字时代的技术。

应用

钌的用途

工业应用

钌是技术上最重要的铂族金属之一,应用范围从尖端电子产品到挽救生命的医疗器械。其出色的耐腐蚀性和独特的催化性质使其成为现代工业不可或缺的材料。

电子产品与数据存储

电子行业消耗了钌产量中的最大部分。硬盘驱动器依靠钌基磁性层实现超高密度数据存储。这些薄膜通常只有几个原子厚,使现代计算机能够在紧凑空间内存储数TB信息。钌的磁性和化学稳定性使其在这一应用中无法替代。

电阻器制造利用氧化钌(RuO₂)制造厚膜电阻器,这些电阻器几乎存在于每种电子设备中。它们提供精确的电阻值,对智能手机、计算机和工业设备的电路正常运行至关重要。

化学催化

钌基催化剂推动着关键的工业过程。在氨合成中,钌催化剂的性能优于传统铁催化剂,能够在更低的压力和温度下运行,同时实现更高的转化率。这一进步可能彻底改变化肥生产,并有望养活更多数十亿人口。

费托合成工艺使用钌催化剂将合成气(一氧化碳和氢气)转化为液态烃,为从煤、天然气或生物质生产清洁燃料提供了途径。随着各国寻求能源独立和更清洁的燃料替代品,这项技术变得越来越重要。

先进材料

钌合金能够显著改善其他金属的性质。钛钌合金将钛的轻质特性与钌的耐腐蚀性结合起来,形成适用于航空航天、化学加工设备以及医疗植入物的材料,这些植入物必须在恶劣的生物环境中运行数十年。

高性能开关和继电器中的电触点加入钌,以防止腐蚀并确保即使经过数百万次开关循环后仍能可靠连接。这些部件对汽车电子设备、工业控制系统和电信设备至关重要。

新兴技术

太阳能电池技术的研究表明,钌基染料能够显著提高染料敏化太阳能电池的效率。这些电池可为发展中国家和偏远地区提供经济高效的太阳能解决方案,在这些地方,传统硅太阳能板并不实用。

癌症治疗应用利用钌配合物作为化疗药物,比传统铂基治疗更精确地靶向癌细胞,有望在提高治愈率的同时减少副作用。

日常应用

消费电子产品

每部智能手机、笔记本电脑和平板电脑的硬盘磁存储层中都含有钌。当你保存照片、下载应用程序或存储音乐时,你都在依靠钌的磁性,多年来可靠地保存这些数据。

含有氧化钌的电子电阻器调节几乎所有电子设备中的电流。从手机的充电电路到汽车的电源管理系统,这些微小部件确保设备安全、高效地运行。

汽车技术

现代车辆越来越多地在燃油喷射控制、防抱死制动系统和发动机管理计算机等关键系统中使用钌增强型电触点。这些触点必须在车辆整个使用寿命期间,经受极端温度变化和数百万次开关循环后仍能可靠运行。

工业设备

生产塑料、药品和特种化学品的行业所使用的化学加工设备,依靠钌出色的耐腐蚀性。涂有含钌合金的反应器容器和管道系统能够承受最强烈的化学环境而不发生性能下降。

发电厂、制造工厂和数据中心中的高性能电气开关使用钌基触点,确保即使每天数千次切换高电压和大电流,也能可靠运行。

科学仪器

实验室设备和分析仪器经常采用钌电极,利用其化学惰性和电学性质。这些电极能够进行精确测量,推动医学、材料科学和环境监测领域的研究。

专门用途

高档书写工具上的钢笔笔尖常采用钌镀层,以利用其硬度和耐腐蚀性,确保数十年顺畅书写。奢华珠宝采用钌镀层,形成醒目的黑色表面,并抵抗失去光泽和磨损。

来源

自然存在

0.001 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 32% of elements

自然分布

地壳丰度与稀有性

钌是地球上最稀有的元素之一,平均地壳丰度仅为0.001 ppm(1 ppb)。为了理解这种极端稀有性,可以这样比较:要提取1千克钌,需要处理约1亿吨平均地壳岩石。这种稀缺性使钌的稀有程度约为黄金的10000倍。

主要矿床

世界上最重要的钌矿床位于南非布什维尔德杂岩,这是一处形成于20亿年前的大型层状火成侵入体。该地质构造含有世界上最大的铂族金属储量,钌与铂、钯和铑一起集中在特定层中。

俄罗斯诺里尔斯克地区是另一个重要来源地,钌存在于由古代火山活动形成的铜镍硫化矿中。严酷的北极环境使开采十分困难,但较高的金属含量足以证明开采工作的价值。

加拿大萨德伯里盆地由18.5亿年前一次巨大的陨石撞击形成,含有与镍矿和铜矿伴生的重要钌矿床。撞击事件通过独特且无法复制的地质过程使这些金属富集。

地质形成

钌的极端稀有性源于其亲铁性:在行星形成期间,它优先与铁结合并向地核下沉。目前地表可开采的大部分钌,是通过后来的地质过程到达地表的,包括将深部物质带到上方的火山活动、陨石撞击和热液循环。

包括钌在内的铂族金属通常共同存在于层状火成杂岩中,缓慢冷却使不同矿物在不同层中结晶。这些构造是地球上最具经济重要性的地质特征之一。

宇宙起源

钌通过垂死恒星中的中子俘获过程形成,尤其是在超新星爆炸期间。该元素的核结构需要只有恒星核心和恒星爆炸事件中才具备的极端条件。地球上的钌储量,是无数颗古老超新星产生的残骸逐渐积累而成的;这些超新星在地球形成之前丰富了太阳星云。

提取挑战

钌的提取需要处理数量巨大的矿石——通常10—20吨矿石只能产出1盎司钌。所需的复杂冶金过程使钌成为生产成本最高的元素之一,促成了其较高的市场价值,并推动了回收工作。

处理

安全

安全信息

总体毒性概况

钌金属以纯金属形态存在时对健康的风险极小。块状金属在正常条件下具有化学惰性,处理时主要带来尖锐边缘或撞击伤害等物理危害。

化合物危害

钌化合物的毒性差异很大。四氧化钌(RuO₄)的危险性最大——这种挥发性化合物可引起严重的呼吸道刺激和化学灼伤。它尤其危险,因为能够轻易穿透皮肤和黏膜。

氯化钌和其他盐类可引起皮肤和眼睛刺激。长期接触可能导致过敏性致敏,使未来即使接触较低浓度的物质也更加危险。

工作场所安全规程

个人防护装备(PPE):处理钌化合物时始终佩戴丁腈或氯丁橡胶手套。标准乳胶手套无法提供充分防护。使用带侧护板的安全眼镜,并在通风良好的区域或通风橱中工作。

处理粉末状钌或其化合物时,粉尘控制措施至关重要。使用HEPA过滤系统,并避免通过研磨、切割或剧烈混合产生空气中的颗粒。

急救措施

皮肤接触:立即脱去受污染的衣物,并用大量清水冲洗受影响部位至少15分钟。如果刺激持续存在,或接触了浓缩溶液,请就医。

眼睛接触:用清水冲洗眼睛至少15分钟,同时保持眼睑张开以确保彻底冲洗。如佩戴隐形眼镜且易于取出,应将其取下。立即就医。

吸入:立即转移到空气新鲜处。如出现呼吸困难,请寻求紧急医疗救治。接触四氧化钌需要立即进行医疗干预。

储存与处置

储存要求:将钌化合物存放在密封良好的容器中,远离潮气、酸和氧化剂。储存在阴凉、干燥的位置,并采取适当的二次容器防护。

废物处置:由于钌价值很高,大多数设施都会回收和再利用含钌废物。应联系专业贵金属回收商,不要将其作为危险废物处置。绝不能将钌化合物丢入普通垃圾或排入下水道。

快速回答

钌:常见问题

What is 钌?

钌 (symbol Ru) is element 44 on the periodic table, a 过渡金属 in period 5, group 8. A platinum-group metal that hardens its neighbours and catalyses ammonia synthesis. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 钌?

钌's ground-state electron configuration is [Kr] 4d⁷ 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 15, 1 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钌?

钌 melts at 2607 K (2333.9 °C) and boils at 4423 K (4149.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.

What is the atomic mass of 钌?

The standard atomic weight of 钌 is 101.07 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钌?

钌 has a density of 12.45 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钌 is about 12.5× heavier.

What is the electronegativity of 钌?

钌 has a Pauling electronegativity of 2.2. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 钌, and when?

钌 was discovered in 1844 by Karl Ernst Klaus. It is named after latin Ruthenia, Russia.

How common is 钌 on Earth?

钌 makes up about 0.001 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.