Рутеній

Рутеній (Ru)
Атомний номер	44
Зовнішній вигляд простої речовини	сріблясто-сірий дуже крихкий метал
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса)	101,07 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома	134 пм
Енергія іонізації (перший електрон)	710,3(7,36) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація	[Kr] 4d^7 5s^1
Хімічні властивості
Ковалентний радіус	125 пм
Радіус іона	(+4e)67 пм
Електронегативність (за Полінгом)	2,2
Електродний потенціал	0
Ступені окиснення	8, 6, 4, 3, 2, 0, -2
Термодинамічні властивості
Густина	12,41 г/см³
Молярна теплоємність	0,238 Дж/(К·моль)
Теплопровідність	117,0 Вт/(м·К)
Температура плавлення	2583 К
Теплота плавлення	(25,5) кДж/моль
Температура кипіння	4173 К
Теплота випаровування	n/a кДж/моль
Молярний об'єм	8,3 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки	гексагональна
Період ґратки	2,700 Å
Відношення с/а	1,584
Температура Дебая	600[1] К
Інші властовості
Критична точка	н/д
H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og * La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu ** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Рутеній у Вікісховищі

Рутеній (Ru, від лат. Ruthenia — Русь) — хімічний елемент з атомним номером 44, проста речовина сріблясто-сірого кольору, дуже крихкий метал.

Загальний опис

Належить до платинових металів. У природі існує 7 стабільних ізотопів з масовими числами 96, 98-102, 104. Відкритий К. К. Клаусом у 1844. Густина при 20 °C 12370 кг/м³. Парамагнітний. Хімічно пасивний, не реагує навіть з «царською водою». Рутеній — рідкісний і дуже розсіяний елемент, середній вміст рутенію в земній корі 5•10⁻⁷% (мас). Існує один мінерал, утворений в основному рутенієм — лаурит (RuS₂). Крім того, міститься у мінералах: рутенистому сисертськіті (містить до 19 % Ru), рутенистому нев'янськіті (до 14 % Ru), ауросміриді (різновид нев'янськіту, Ir, Os, Au), осрутині (Ru, Os), як ізоморфна домішка присутній у самородній платині і мінералах сульфідних мідно-нікелевих руд. У мінералах платини Рутеній утворює невпорядковані тверді розчини, його атоми статистично розподілені в структурі платини. Добувають Рутеній в основному з платинових руд.

Історія відкриття елемента

У 1827 році професор Тартуського університету (сьогодні — в м. Тарту, Естонія) Готфрід Вільгельм Озанн (ru; en) (1797—1866) опублікував роботу, в якій заявив про відкриття ним трьох елементів: плуранію, рутенію та полінію розчиняючи неочищену платину з гір Уралу у царській воді^[2][3]. Таким чином, уперше в хімічну науку було введено термін «рутеній». Йонс Якоб Берцеліус у той же рік проводив подібні експерименти з розчиненням платини також у царській воді, однак не побачив там нічого нового. Озанн був, однак, переконаний у своїй правоті та відіслав Берцеліусу зразки отриманої речовини. Провівши дослідження, Берцеліус підтвердив знаходження нового елементу в отриманому від Озанна зразку.

Цей елемент був «заново» відкритий пізніше російським ученим, німцем за походженням вихідцем з міста Тарту, випускником Дерптського університету, де зробив свої відкриття Г. Озанн — Карлом-Ернстом Клаусом^[4]. К. Е. Клаус дуже делікатно підійшов до праць свого попередника з вивчення платинових металів Г. Озанна. К. Е. Клаус вирішив, зберегти назву метала дану Г. Озанном. Так він пише у своїй першій статті:

«Цей метал я хочу назвати рутенієм тому, що він у невеликій кількості знаходиться у тілі білого кольору, про яке згадує Озанн… Озанн, який це тіло прийняв за особливий оксид металу, назвав його оксидом рутенію… Оскільки цей метал в оксиді рутенію Озанна зустрічається у невеликій кількості, я пропоную назвати його рутенієм»[4].

Знаходження у природі

Існує лише один мінерал, утворений в основному рутенієм, — лаурит, що має приблизний склад ${\displaystyle ~\mathrm {RuS_{2}} }$ (іноді його формулу позначають ${\displaystyle ~\mathrm {(RuOs)S_{2}} }$).

Цей вельми рідкісний мінерал був знайдений на Уралі (Сен-Клер-Девіль), о-ві Борнео, в Орегоні (США), Колумбії і Трансваалі^[5][6][7][8]. Лаурит виявлений в Якутії (родовища Інаглі і Кондер) в тісному зрощенні з куперитом, брагітом, осмистим іридієм, хром-шпінелідами і поліксеном^[9].

Питома вага лауриту 6—7, твердість за шкалою Мооса — 7—8, колір чорний з металевим блиском. Кристалічна структура — куб-октаедр, параметри: α = 5,57 + 0,01 Å.

Лаурит вивчений досить мало. Через велику рідкість його зразки ніколи не піддавали повному хімічному аналізу.

Крім того, розрізняють рутеній самородний — у вигляді мікроскопічних включень в самородній платині і рутенірідосміні.

Ізотопи

Природний рутеній складається з семи різних ізотопів. Всі вони стабільні.

Масове число	Частка у природному рутенії	Період напіврозпаду
96	5,54 %	∞
98	1,87 %	∞
99	12,76 %	∞
100	12,60 %	∞
101	17,06 %	∞
102	31,55 %	∞
104	18,62 %	∞

Загалом відомо 42 ізотопи рутенію з масовими числами від 87 до 124, 4 з яких — метастабільні. З нестабільних ізотопів, найбільші періоди напіврозпаду мають Ru¹⁰⁶ (371,8 дня) і Ru¹⁰³ (39,2 дня)^[10].

Отримання

Добувають рутеній в основному з платинових руд. Після відділення від супутніх платинових елементів рутеній переводять у комплексну амонієву сіль хлориду рутенію та відновлюють в тоці водню до металу. Отриманий метал переплавляють у захисній атмосфері інертного газу.

Хімічні властивості

За своїми хімічними властивостями, що проявляються у природних сполуках, рутеній близький до заліза. Так, він дає міцний сульфід ${\displaystyle ~\mathrm {RuS_{2}} }$, який має кристалічну решітку піриту (${\displaystyle ~\mathrm {FeS_{2}} }$). Найбільш стійким оксидом рутенію є ${\displaystyle ~\mathrm {RuO_{2}} }$. Вищий леткий оксид ${\displaystyle ~\mathrm {RuO_{4}} }$ отримують тільки синтетично, а в природних умовах він навряд чи може існувати. Дисоціація ${\displaystyle ~\mathrm {RuO_{2}} }$ відбувається при значно вищій температурі, ніж дисоціація оксидів платини і паладію.

З платиною, іридієм і осмієм рутеній дає тверді розчини в значних концентраціях. З осмієм рутеній ізоморфний.

Біологічний вплив

• Рутеній є єдиним платиновим металом, який виявляється в складі живих організмів (за деякими даними — ще й платина). Концентрується в основному в м'язовій тканині. Вищий оксид рутенію вкрай отруйний.
• Рутеній-106 — бета-радіоактивний ізотоп рутенію, металу платинової групи. Утворюється при ядерних вибухах і роботі ядерноенергетичних установок. Використовується як радіоактивні індикатори, застосовується в медицині у складі аплікаторів при променевої терапії. Період напіврозпаду 373,59 дня. Допустима середньорічна об'ємна активність — 4,4 Бк/куб. м.

Застосування

Застосовують як каталізатор і для виготовлення твердих сплавів, для нанесення захисних покривів на електричні контакти, титанові електроди, декоративних покривів на ювелірні вироби, а також як компонент сплавів з Pt i Rh.

• У вигляді діоксиду застосовують для створення нерозчинних анодів — ОРТА.
• Невелика домішка рутенію (0,1 %) збільшує корозійну стійкість титанових сплавів.

Відкриття, зроблене експериментальним шляхом дослідниками з університету Міннесоти у 2018 році, демонструє те, що хімічний елемент рутеній є четвертим хімічним елементом, що володіє унікальними магнітними властивостями при кімнатній температурі. До останнього часу людям були відомі лише три стабільних магнітних елементи, залізо (Fe), кобальт Co), нікель (Ni) і, частково, гадоліній (Gd), який втрачає магнітні властивості при температурі вище 8 градусів Цельсія. Виявлення нового магнітного матеріалу може привести до розробки нових типів датчиків, пристроїв зберігання, обробки інформації та маси інших електронних і електромеханічних пристроїв. Крім традиційних технологій, в яких використовуються магнітні властивості матеріалів, поява нового магнітного матеріалу може зіграти важливу роль для подальшого розвитку ряду нових напрямків, таких, як спінтроніка. Цьому буде сприяти те, що технології вирощування тонких плівок і створення наноструктур вже дійшли до того рівня, який дозволяє виробляти матеріали, що мають унікальні властивості, якими не володіють ці ж матеріали природного походження^[11].

Примітки

1. A Course In Thermodynamics, Volume 2 [Архівовано 1 березня 2019 у Wayback Machine.](англ.)
2. Gottfried Osann (1828). Fortsetzung der Untersuchung des Platins vom Ural. Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie (German) . 13: 283—297. Архів оригіналу за 7 березня 2016. Процитовано 14 січня 2016.(нім.)
3. Gottfried Osann (1828). Fortsetzung der Untersuchung des Platins vom Ural. Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie (German) . 14: 329—357. Архів оригіналу за 28 квітня 2021. Процитовано 14 січня 2016.(нім.)
4. Claus (1845), Entdeckung eines neuen Metalles (Ruthenium). J. Prakt. Chem., 34: 173—177. doi: 10.1002/prac.18450340114 (нім.)
5. А. Г. Бетехтин. Платина. М. — Л. видавництво АН СРСР, 1935. (рос.)
6. П. Вагнер. Месторождения платины и рудники Южной Африки. М., Металлургиздат, 1932. (рос.)
7. Минералология Урала, т. 2. Статьи А. Г. Бетехтина, А. А. Иванова и С. Г. Заводчикова. М. — Л., видавництво АН СРСР, 1940. (рос.)
8. А. Г. Бетехтин. Минералы СССР, т. 1. М. — Л. видавництво АН СРСР, 1940. (рос.)
9. И. С. Рожков, В. И. Кицул, Л. В. Разин, С. С. Баришанская. Платина Алданского щита. М., видавництво АН СРСР, 1962. (рос.)
10. Isotopes of the Element Ruthenium [Архівовано 18 січня 2021 у Wayback Machine.](англ.)
11. "Scientists discover new magnetic element" [Архівовано 27 травня 2018 у Wayback Machine.] Phys.org,25 травня 2018

Література та примітки

• Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Донбас, 2007. — Т. 2 : Л — Р. — 670 с. — ISBN 57740-0828-2.

Портал «Фізика»