Ruthenia на латыни значит «Россия». Как и Россия, рутений красив, загадочен и крайне неудобен для человека. Во-первых, получение чистого рутения – проблема , не решенная до сих пор. Во-вторых, рутений настолько хрупок, что использовать его в чистом виде не представляется возможным. В-третьих, рутений, находящийся в форме различных химических соединений, часто бывает опасным. В том числе и взрывоопасным!
Ну чем не Россия?
История металла
Карл-Эрнст Клаус, прибалтийский немец, родился и вырос в Эстонии. В детстве он разрывался между желанием сделаться ботаником и идеей зарабатывать на жизнь аптекарским ремеслом. Однако судьба велела ему забыть о глупостях, осознать себя русским ученым-химиком и отправиться на службу в Казанский университет.Сопротивлялся Карл Карлович как мог. Женился на немке, ботаники не оставил (один из родов капусты таки назван его именем), к химии относился не то чтобы пренебрежительно, а... несерьезно. Кислоты трогал руками, растворы пробовал на вкус, ядовитые газы обонял, чтоб запомнить их запах, и часто высказывал соображения, не подобающие солидному ученому. В общем, проявил все черты русского характера – и ненапрасно!
Большинство высказанных профессором К.К. Клаусом идей, слишком смелых для своего времени, оказались верными. Реализуя одну из них, в 1844-м году Клаус получает шесть граммов металла, ранее неизвестного науке и впоследствии названного рутением.
Светила мирового сообщества отмечали близость нового металла отчасти к железу, отчасти к осмию. Возникло – и с тех пор не исчезает – устойчивое мнение, что из всех так называемых «благородных» металлов рутений – самый неблагородный...
Свойства рутения
Вот уже полтораста лет рутений находится в полном распоряжении исследователей, но исчерпывающего понимания его возможностей все еще нет. Экспериментаторы столкнулись с парадоксальным явлением: физические свойства этого платиноида меняются в зависимости от метода получения металла.Наличие разницы в свойствах, понимают ученые, говорит только о загрязненности образцов. Осознание проблемы отчасти озадачивает, потому как действенного способа очищения рутения от примесей пока нет; а отчасти – обнадеживает, поскольку теоретические характеристики вещества очень завидны.
Так или иначе, сегодня не удается избавить рутений от присущей его отливкам хрупкости. Попытки механической обработки (ковка, прессование, резание) заканчиваются разрушением рутениевой заготовки.
Между тем, производственники весьма заинтересованы в «покорении» металла: газопоглотительные способности рутения непревзойденны . Если палладий способен впитать водорода в 940 раз больше своего объема, то у рутения этот показатель почти вдвое выше! При этом поглотительная способность рутения касается не одного только водорода, но и азота, и – в меньшей степени – других неметаллов.
Четырехокись рутения RuO4 (так же, как и мелкодисперсный родий) настолько химически активна, что даже взрывоопасна. Правда, и родиевая, и рутениевая взрывчатка – явление дороговатое...
Цена и распространенность
По оценкам геологов, рутения в земной коре не более пяти тысяч тонн. Столь незначительное количество, рассеянность и сложность добычи определяют изначально высокую стоимость металла.Однако ограниченность спроса вносит коррективы в прайс-лист драгоценных металлов. Рутений – самый недорогой из . Его рыночная стоимость на начало 2016-го года всего лишь в 2,7 раза выше цены дороже рутения почти в 30 раз – при том что годовая добыча рутения редко превышает 20 тонн, а золота на мировой рынок поступает 2500 тонн в год.
Нет справедливости в ценообразовании! Как нет ее и в стране Рутении...
Куда идет рутений?
В отличие от большинства благородных металлов, в ювелирной отрасли рутений не используется, причем абсолютно. Дело тут не только в недостаточной выразительности его природного облика и неудобстве физических свойств. Химическая активность соединений рутения настолько велика , что введение металла в человеческий обиход неизбежно приведет к повышению заболеваемости – уверены медики.Львиная доля добываемого рутения уходит в электронную промышленность. Около трети объема добычи приобретают предприятия электрохимического цикла. Оставшаяся треть потребляется обычными химическими производствами. Совсем немного соединений рутения требуется медицине для изготовления исследовательских и лечебных препаратов.
Водоочистные устройства космических аппаратов работают на рутениевых катализаторах – они наиболее эффективны. В цветной металлургии рутений – ценная легирующая добавка. В концентрациях на уровне десятых и сотых долей процента благородный металл в разы повышает прочностные свойства изделий. Турбинные лопасти реактивных двигателей, высокотемпературные детали ракет, топливная аппаратура летательных аппаратов содержат рутений.
Некоторые технологии получения графена основываются на использовании способности рутения поглощать неметаллы. Рутениевая подложка оказывается надежной основой для выращивания модифицированного углерода.
Растертая в пудру смесь двуокиси и четырехокиси рутения дают возможность криминалистам выявлять слаборазличимые отпечатки пальцев. Никакие другие соединения не «впиваются» в молекулы жиров с такой силой!
Весьма перспективным представляется использование рутениевой краски в качестве...солнечной батареи. В будущем человек сможет утилизировать солнечную энергию при помощи преобразователя, носимого в виде баллончика с краской и двух проводков – причем стоить такая система обещает сущие копейки.
Проблемный рутений
С проблемой рутения столкнулись ядерщики, а вместе с ними и экологи. Для них радиоактивный рутений, возникающий в реакторах в процессе распада урана и плутония, является серьезной и трудноразрешимой проблемой.До трети шлаковой массы в реакторе приходится на опасный радиорутений. Удалить чрезвычайно «прилипчивый» металл крайне сложно. Зато при консервации отходов атомной энергетики рутений первым находит выход из хранилищ! Миграция активного рутения происходит всеми возможными путями.
Поставить надежный заслон на пути слишком «подвижного» элемента, а равно и дезактивировать металл удается не всегда. Бобовые растения, излюбленная пища человека и животных, концентрируют почвенный рутений в своих корнях..
Рутений (по содержанию в платиновых рудах) является наиболее редким среди платиновых металлов. Он был открыт казанским профессором Клаусом, который в 1844 году в остатках уральской платиновой руды нашел новый элемент, который назвал рутением (от позднелатинского Ruthenia - Россия). Клаус получил рутений в чистом виде, изучил его химические свойства, определил атомный вес и указал на сходство между триадами рутений - родий - палладий и осмий - иридий - платина.
Рутений - спутник платины. Содержится он главным образом в осмиридии - остатке после разделение платиновых руд царской водкой. Очень редко он встречается и в виде самостоятельного минерала - лаурита, сульфида рутения RuS 2 , содержащего осмий.
Получение:
Остатки от аффинажа платины или электрорафинирования меди переводят в (NH 4) 2 , который прокаливают до RuO 2 , последний восстанавливают водородом.
В коллоидном состоянии рутений можно получать восстановлением его солей гидразином в присутствии гуммиарабика или акролеином.
В настоящее время источником рутения может служить и отработанное топливо атомных электростанций, т.к он является одним из продуктов деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий).
Физические свойства:
Рутений в зависимости от способа его получения является матово-серым или серебристо-белым блестящим металлом, обладающим чрезвычайно большой твердостью; при этом он настолько хрупок, что его можно легко растереть в порошок. Он очень тугоплавок и плавиться при значительно более высокой температуре, чем платина. В электрической дуге при плавлении Ru одновременно испаряется. Он переходит в газовую фазу также при сильном прокаливании на воздухе, но в этом случаи летит не металл, а четыреокись, устойчивая при очень высоких температурах.
Химические свойства:
В отсутствии кислорода воздуха на рутений не действует ни одна кислота, даже царская водка. Однако содержащая воздух соляная кислота медленно растворяет его при обычной температуре, а при 125° (в запаянной трубке) даже довольно быстро. При нагревании на воздухе рутений чернеет вследствие поверхностного окисления. Фтор действует на порошкообразный рутений уже ниже температуры красного каления, а хлор - при красном калении. С серой порошкообразный рутений реагирует лишь при соблюдении особых условий. С фосфором он образует соединение RuP 2 и RuP и Ru 2 P; с мышьяком, так же как платина, рутений дает диарсенид RuAs 2 . Щелочи в присутствии кислорода или веществ, легко отдающих кислород, например, смеси KOH с KNO 3 или K 2 CO 3 с KCIO 3 , а также перекисей, например Na 2 O 2 или BaO 2 , при высокой температуре энергично действуют на рутений, образуя с ним рутенаты(VI) M 1 2 RuO 4 . Tс 2 О 7 .
Важнейшие соединения:
Двуокись рутения
RuO 2 получается в виде сине-черного порошка при нагревании порошкообразного рутения, хлорида или сульфида его в токе кислорода. Водородом при невысокой температуре RuO 2 восстанавливается, при очень высоких температурах RuO 2 начинает разлагаться на рутений и кислород.
Четырехокись рутения
RuO 4 получается при пропускании хлора через раствор рутенатов щелочных металлов или при добавлении избытка щелочи к растворам солей рутения; она образует жёлтые иглы, плавящиеся при 25° в оранжевую жидкость. При нагревании, около 108°, RuO 4 c сильным взрывом разлагается на RuO 2 и O 2 . Четырехокись рутения чрезвычайно энергично реагирует с органическими веществами, реакция её со спиртом происходит с взрывом.
Пентакарбонил рутения
Ru(СO) 5 летучая жидкость, на воздухе воспламеняется. Применяется для нанесения покрытий Ru на стекло, керамику, металлы.
Комплексные соединения рутения
весьма многочисленны. В том числе он может образовывать в них связь даже с таким необычным лигандом, как молекулярный азот, образуя, например, соединение Cl 2 .
Применение:
Производство катализаторов, декоративных и защитных покрытий, сплавов. Небольшие добавки рутения обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава, что ценно для производства износостойких электрических контактов.
Годовая добыча рутения в 2009 г. оценивалась примерно в 18 т.
Г. Елфимова
См. также:
Федоренко Н.В. К.К.Клаус: открытие рутения.
Химия в школе, 1977, №4
Шульчус A. Несколько историй открытия рутения.Химия в школе, 2010, №9 стр.79
Сергеева Екатерина
История открытия Рутения и его свойства.
Скачать:
Предварительный просмотр:
«Казанский химический элемент (Рутений)»
Сергеева Екатерина Юрьевна
ГАОУ СПО «Чистопольский политехнический колледж»
Руководитель Ионычева А.Л.
АННОТАЦИЯ
В данной работе меня заинтересовала история открытия, свойства и возможные области применения химического элемента Рутения, который был открыт Карлом Карловичем Клаусом в химической лаборатории Казанского университета и по праву может называться Казанским химическим элементом. 2011 год, был объявлен ЮНЕСКО Годом химии, учащимся Казани и Республики Татарстан стоит вспомнить об этом явно незаурядном событии в более чем 1000-летней истории города Казань и единственного в России человека К.К.Клауса, открывшего естественный химический элемент, тем более, что он по праву считается одним из родоначальников Казанской химической школы.
Данная тема показалась нам интересной и актуальной еще и потому, что
Рутений один из представителей платиновых металлов, но был открыт самым последним. Открытие Рутения представляло большие трудности.
Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы - Рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета.
Изучая проблему, мы пользовались материалами интернет – ресурса: сайта «Мир химии», Викисловарем, Популярной библиотекой химических элементов, Издательство «Наука»,2011г.
Во время проведения недели естественных наук мы провели (в ряду других мероприятий) научно – практическую конференцию: «Великие ученые-химики и их открытия», на которой были представлены исследовательские работы и ряд презентаций, которые стали хорошим подспорьем в работе преподавателей и заинтересованности обучающихся в изучении химии и других естественных дисциплин.
Казанский химический элемент (Рутений)
«Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы – рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета»
Академик А.Е. Арбузов
История открытия рутения
Рутений-первый химический элемент, открытый русским ученым-химиком Карлом Карловичем Клаусом. Рутений -представитель платиновых металлов, открыт последним среди них.
Исследованиями занимались А. Снядецкий, поляк по национальности, и русский ученый К.К. Клаус. Большую помощь ученому оказал Е.Ф. Канкрин, эанимавший в то время пост министра финансов
К.К. Клаус
Он то и предоставил Клаусу остатки сырой платины, из которой ученый выделил платину, а также другие металлы: родий, палладий, иридий и осмий. Кроме этих металлов выделил также смесь других, в которой по мнению Клауса должно было находиться новое, еще неизвестное вещество. Химик повторил опыты Г.В. Озанна, а затем, разработав свой план эксперимента, получил новый химический элемент-рутений. И опять отправил письмо И.Берцеллиусу, но тот как и в первый раз не согласился с доводами Клауса. Но русский химик не внял доводам Берцеллиуса и доказал, что открыл новый химический элемент платиновой группы. И в 1845 году Берцеллиус признал открытие рутения.
Назван химический элемент в честь России (латинское название России-Рутениа)
По просьбе министерства финансов профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус в 1841 году приступил к поискам способа переработки остатков платиновых руд, накопившихся на Петербургском Монетном дворе, с целью более полного извлечения платины. Годом раньше, стараниями ректора Лобачевского для химической лаборатории было воздвигнуто отдельное двухэтажное здание с огромным подвалом, оснащённое самым современным оборудованием.
Клаус установил состав остатков платиновой руды и разработал методы разделения и получения в чистом виде платиновых металлов. Клаусу пришлось преодолеть исключительные экспериментальные трудности, учитывая уровень знаний тех времен. Кроме того, работа была опасна для здоровья, так как в процессе обработки руд образовывались крайне ядовитые вещества.
Среди выделенных компонентов Клаус обнаружил неизвестный ранее металл. Он изучил свойства как самого металла, так и его соединений, с особой тщательностью определил его атомный вес, отработал метод его выделения и очистки. В 1844 году Клаус опубликовал полученные результаты, назвав новый химический элемент рутением, в честь России. Мировая научная общественность сначала с сомнением приняла это открытие, так как тогда ошибочно «открывалось» много элементов.
Только в 1846 году, когда Клаус опубликовал новую работу о дальнейшем изучении рутения, его открытие было всеми признано. Вскоре казанскому профессору Российской академией наук была присуждена Демидовская премия за исследования в области платиновых металлов. Её величина в 10000 рублей тогда была гораздо большей, чем теперешняя Нобелевская премия.
Химическая лаборатория Казанского университета, где в 1842 году работал Клаус. Сто лет спустя в этой комнате начинал работу будущий Курчатовский институт.
Получение рутения
Разделение платиновых металлов и получение их в чистом виде (аффинаж) -очень сложная задача, требующая большой затраты труда, времени, дорогих реактивов, а также высокого мастерства.. В настоящее время главным источником получения платиновых металлов служат сульфидные медно-никелевые руды. В результате их сложной переработки выплавляют так называемые «черновые» металлы - загрязненные никель и медь. При их электролитическом рафинировании благородные металлы накапливаются в виде анодного шлама, который направляют на аффинаж.
Значительным источником рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий) где его содержание достигает 250 граммов на тонну «сгоревшего» ядерного топлива.
Физические свойства рутения.
По тугоплавкости (Тпл 2250 °C) рутений уступает лишь нескольким элементам - рению, осмию, вольфраму.
Наиболее ценные свойства Рутения - тугоплавкость, твердость, химическая стойкость, способность ускорять некоторые химические реакции. Наиболее характерны соединения с валентностью 3+, 4+ и 8+. Склонен к образованию комплексных соединений. Применяется как катализатор, в сплавах с платиновыми металлами, как материал для острых наконечников, для контактов, электродов и в ювелирном деле.
Химические свойства рутения.
Рутений и осмий хрупки и очень тверды. При действии кислорода и сильных окислителей они образуют оксиды RuO4 и OsO4. Это легкоплавкие желтые кристаллы. Пары обоих соединений имеют резкий, неприятный запах и очень ядовиты. Оба соединения легко отдают кислород, восстанавливаясь до RuO2 иOsO2 или до металлов. Со щелочами RuO4 дает соли (рутенаты). Исследование Рутения ставит сегодня перед химиками три задачи:
Задача №1: Как избавиться от рутения?
У рутения немало ценных и интересных свойств. По многим механическим, электрическим и химическим характеристикам он может соперничать со многими металлами и даже с платиной и золотом. Однако в отличие от этих металлов рутений очень хрупок, и поэтому изготовить из него какие-либо изделия пока не удается. Задача №1 поставлена перед учеными атомной техникой.
Радиоактивные изотопы рутения в природе не существуют, но они образуются в результате деления ядер урана и плутония в реакторах атомных электростанций, подводных лодок, кораблей, при взрывах атомных бомб. С теоретической точки зрения этот факт безусловно интересен. В нем даже есть особая «изюминка»: осуществилась мечта алхимиков – неблагородный металл превратился в благородный. Действительно, в наши дни предприятия по производству плутония выбрасывают десятки килограммов благородного металла рутения. Но практический вред, наносимый этим процессом атомной технике, не окупился бы даже в том случае, если бы удалось применить с пользой весь рутений, полученный в ядерных реакторах.
Чем же так вреден рутений?
Одно из главных достоинств ядерного горючего – его воспроизводимость. Как известно, при «сжигании» урановых блоков в ядерных реакторах образуется новое ядерное горючее – плутоний. Одновременно образуется и «зола» – осколки деления ядер урана, в том числе и изотопы рутения. Золу, естественно, приходится удалять.
Рутений начинает постепенно мигрировать в грунт, создавая опасность радиоактивного загрязнения на больших расстояниях от водоема. То же самое происходит при захоронении осколков в шахтах на большой глубине. Радиоактивный рутений, обладающий (в виде растворимых в воде нитрозосоединений) чрезвычайной подвижностью, или, правильнее сказать, миграционной способностью, может уйти с грунтовыми водами очень далеко.
Борьбе с радиоактивным рутением уделяют много внимания физики, химики, технологи и особенно радиохимики многих стран. На I и II Международных конференциях по мирному использованию атомной энергии в Женеве этой проблеме было посвящено несколько докладов. Однако до сих пор нет оснований считать борьбу с рутением оконченной успешно, и, видимо, химикам придется еще немало поработать для того, чтобы эту проблему можно было перевести в категорию окончательно решенных.
Задача №2: дальнейшее изучение химии рутения и его соединений.
Необычайная актуальность задачи №1 заставляет исследователей все глубже проникать в химию рутения и его соединений.
Рутений – редкий и очень рассеянный элемент. Известен единственный минерал, который он образует в естественных условиях. Это лаурит RuS 2 – очень твердое тяжелое вещество черного цвета, встречающееся в природе крайне редко. В некоторых других природных соединениях рутений – всего лишь изоморфная примесь, количество которой, как правило, не превышает десятых долей процента. Небольшие примеси соединений рутения были обнаружены в медно-никелевых рудах канадского месторождения Седбери, а потом и на других рудниках.
Одно из самых замечательных химических свойств рутения – его многочисленные валентные состояния. Легкость перехода рутения из одного валентного состояния в другое и обилие этих состояний приводят к чрезвычайной сложности и своеобразию химии рутения, которая до сих пор изобилует множеством белых пятен.
Советский ученый Сергей Михайлович Старостин всю свою жизнь посвятил изучению химии рутения и его соединений. Это он установил, что огромные трудности, возникающие при отделении рутения от плутония и урана, связаны с образованием и свойствами нитрозокомплексов рутения.
Некоторые ученые предполагают, что удастся выделить и неорганические полимеры на основе нитрозокомплексов рутения.
Несколько десятилетий назад комплексные соединения рутения сослужили теории химии важную службу, став прекрасной моделью, с помощью которой Вернер создал свою знаменитую координационную теорию. Возможно, полимерные соединения рутения послужат моделью и для создания теории неорганических полимеров.
Задача №3: использование рутения
Где же используется рутений и каковы перспективы его применения?
Рутений, так же как платина и палладий, обладает каталитическими свойствами, но часто отличается от них большей селективностью и избирательностью. В гетерогенном катализе используются металлический рутений и его сплавы. Наиболее эффективные катализаторы получаются при нанесении рутения на различные носители с сильно развитыми поверхностями. Во многих случаях его применяют вместе с платиной для того, чтобы увеличить ее каталитическую активность. Сплав родия, рутения и платины ускоряет окисление аммиака в производстве азотной кислоты. Рутений применяют для синтеза синильной кислоты из аммиака и метана, для получения предельных углеводородов из водорода и окиси углерода. За границей запатентован способ полимеризации этилена на рутениевом катализаторе.
Важное значение приобрели рутениевые катализаторы для реакции получения глицерина и других многоатомных спиртов из целлюлозы путем ее гидрирования.
Металлорганические соединения рутения находят применение в гомогенном катализе для различных реакций гидрирования, причем по селективности и каталитической активности они не уступают признанным катализаторам на основе родия.
Главное достоинство рутения-катализатора в его высокой избирательной способности. Именно она позволяет химикам использовать рутений для синтеза самых разнообразных органических и неорганических продуктов. Рутений-катализатор начинает всерьез конкурировать с платиной, иридием и родием.
Несколько меньше возможности элемента №44 в металлургии, но его применяют и в этой отрасли. Небольшие добавки рутения обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава. Чаще всего его вводят в металлы, из которых изготовляют контакты для электротехники и радиоаппаратуры. Сплав рутения с платиной нашел применение в топливных элементах некоторых американских искусственных спутников Земли. Сплавы рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием обладают сверхпроводимостью. Термопары, изготовленные из сплава иридия с рутением, позволяют измерять самые высокие температуры.
Многого можно ожидать и от использования рутениевых покрытий, нанесенных в виде тонкого слоя (пленки) на различные материалы и изделия. Подобная пленка существенно изменяет свойства и качество изделий, повышает их химическую и механическую стойкость, делает их коррозионно-устойчивыми, резко улучшает электрические свойства и т.д. Тонкие покрытия из благородных металлов, и в том числе из рутения, в последние годы приобретают все большее значение в различных областях электроники, радио- и электротехники, химической промышленности, а также в ювелирном деле.
Интересное свойство металлического рутения – сорбировать и пропускать водород – с успехом может быть использовано для извлечения водорода из смеси газов и получения сверхчистого водорода.
Полезными свойствами обладают многие соединения рутения. Некоторые из них используют в качестве добавок в стекла и эмали как стойкие красители; хлориды рутения, например, увеличивают люминесценцию люминола, полиамины рутения обладают флюоресцирующими свойствами, соль Na2 · 2H2O является пьезоэлектриком, RuО4 – сильнейший окислитель. Многие соединения рутения обладают биологической активностью.
«Вечное» перо
Перья авторучек постоянно трутся о бумагу и оттого стачиваются. Чтобы сделать перо действительно «вечным», на кончике его делают напайку. В состав некоторых сплавов для напайки «вечных» перьев входит рутений. Кроме него, в этих сплавах содержатся вольфрам, кобальт, бор.
Рутений применяют также при изготовлении сплавов для опор компасных игл. Эти сплавы должны быть твердыми, прочными и упругими. Из природных минералов такими свойствами обладает очень редкий осмистый иридий. В искусственные же материалы для компасных игл вместе с осмием и иридием, а иногда и другими металлами, входит элемент №44 – рутений.
Есть контакт!
В электротехнике для контактов издавна используется медь. Она – идеальный материал при передаче сильных токов. Что из того, что через определенное время контакты покрываются окисью меди? Их можно протереть шкуркой и они вновь заблестят, как новенькие. Иное дело в слаботочной технике. Здесь любая окисная пленка на контакте может нарушить работу всей системы. Поэтому контакты для слабых токов делают из палладия или серебряно-палладиевого сплава. Но эти материалы не обладают достаточной механической прочностью. Добавка к сплавам небольших количеств рутения (1...5%) придает контактам твердость и прочность. То же относится и к скользящим контактам, которые должны хорошо противостоять истиранию.
Рутениевая красная.
Так называется неорганический краситель, представляющий собой комплексный аммиачный хлорид рутения.. Рутениевую красную применяют при исследованиях в анатомии и гистологии (науке о живых тканях). Раствор этого красителя при разбавлении 1:5000 окрашивает в розовые и красные тона пектиновые вещества и некоторые ткани. Благодаря этому исследователь получает возможность отличить эти вещества от других и лучше проанализировать рассматриваемый под микроскопом срез.
Применение Рутения для выращивания графена.
Исследователи из Brookhaven National Laboratory (США) показали, что при эпитаксиальном росте графена на поверхности Ru(0001) формируются макроскопические графеновые области. При этом рост протекает послойно, и, хотя первый слой сильно связан с подложкой, второй практически с ней не взаимодействует и сохраняет все уникальные свойства графена.
Синтез основан на том, что растворимость углерода в рутении сильно зависит от температуры. При 1150 °С рутений насыщается углеродом, а при снижении температуры до 825 °С углерод выходит на поверхность, в результате чего формируются островки графена размером более 100 мкм. Островки разрастаются и объединяются, после чего начинается рост второго слоя.
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Казанский химический элемент - Рутений.
Цель работы: Исследовать историю открытия Рутения Изучить свойства и основные области применения элемента
Рутений-первый химический элемент, открытый русским ученым-химиком Карлом Карловичем Клаусом. Рутений -представитель платиновых металлов, открыт последним среди них. К.К. Клаус
Химическая лаборатория Казанского университета, где в 1842 году работал Клаус. Сто лет спустя, в этой комнате, начинал работу будущий Курчатовский институт.
Рутений (лат. Ruthenium), Ru, химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 44, атомная масса 101,07; один из платиновых металлов. Назван химический элемент в честь России (латинское название России - Рутениа)
Думаю, вы слышали громкую историю о том, что в конце сентября над Европой был обнаружен радиоактивный элемент рутений-106. Ряд источников, в том числе и немецких (Германия одной из первых заявила о наличии в воздухе радиоизотопа) заявляют, что источником рутения-106 стал Южный Урал. Это вполне вероятная версия, так как как раз в тех местах до сих пор функционирует спецпредприятие "Маяк", на котором в 1957 году произошла ядерная авария — одна из самых крупных в истории человечества.
Итак, в сегодняшнем посте мы узнаем, что такое рутений-106, вспомним про аварию на "Маяке" в 1957 году и подумаем, что там могло произойти этой осенью. Заходите под кат, там интересно)
Что такое рутений-106.
Для начала немного о рутении, изотоп которого (рутений-106) и был обнаружен в воздухе.
Рутений — элемент восьмой группы пятого периода периодической системы химических элементов, атомный номер — 44. Был открыт профессором Казанского университета Карлом Клаусом в 1844 году, который в том же году опубликовал большую статью о новом элементе под названием "Химические исследования остатков Уральской платиновой руды и металла рутения". Клаус выделил рутений из уральской платиновой руды в чистом виде и назвал элемент в честь России (лат. Ruthenia).
Радиоактивные изотопы рутения в природе не существуют, но образуются в результате деления ядер урана и плутония везде, где происходит цепная реакция — в реакторах атомных станций, подводых лодок, а также при взрыве ядерных бомб. Большинство радиоизотопов рутения недолговечны, но два из них — рутений-103 и, собственно, рутени-106 имеют достаточно большие периоды полураспада — 40 суток и 1 год соответственно.
Спецкомбинат «Маяк» и закрытый город Озёрск.
Немецкие власти, одними из первых обраружившие рутений-106 в воздухе, назвали веротятным местом выброса радиоизотопа Южный Урал. Если посмотреть на карту, то как раз у подножия Уральских гор можно увидеть закрытый город Озёрск, который некогда назывался Челябинск-65. В Озёрске находится спецкомбинат "Маяк", на котором в сентябре 1957 года произошла масштабная и страшная авария, о которой я подробно рассказывал вот в этом посте
.
Если пересказать вкратце, то в 1957 году на "Маяке" произошло следующее — до середины1950-х годов радиоактивные отходы просто сливали в реку Теча, на которой стоял завод. После того, как в окружающих сёлах стали болеть и умирать люди, в реку стали лить лишь низкоактивные отходы, среднеактивные отходы стали выливать в замкнутое озеро Карачай, а высокоактивные отходы стали хранить в "банках" из нержавейки в подземных хранилищах.
Одна из таких "банок" и рванула в 1957 году, разрушив бетонное перектие хранилища — в результате чего всё содержимое оказалось снаружи хранилища, у края разлома плиты радиоактивный фон достигал 1000 р/час. Ветер разнёс загрязнение на северо-восток, в результате чего образовался восточно-уральский радиоактивный след, ставший впоследствии зоной отчуждения.
"Маяк" продолжает успешно функционировать до сегодняшнего дня и занимается примерно тем же, чем он занимался в пятидесятые годы — производством начинки для ядерного вооружения, а также утилизацией и хранением ядерных отходов с высоким содержанием урана. Немецкие источники называют источником радиоактивного рутения-106 примерно этот район, и если в районе Урала что-то и случилось — то случилось оно именно в Озёрске на "Маяке".
Что могло произойти на « Маяке » ?
Сторонники той версии, что причиной радиационной утечки стал именно комбинат "Маяк", приводят следующую хронологию событий. 19 сентября на "Маяк" было вывезено облученное ядерное топливо из реактора ВВЭР-1000 Балаковской АЭС. Фотографии этого события появились позже в группе "Мы с Маяка"
в соцсети "вконтакте":
22 сентября отработанное ядерное топливо в контейнере ТУК-131О было доставлено непосредственно на радиохимический завод "Маяк", где начались испытания нового технологического оборудования. Завершились испытания примерно 1-2 октября, о чём в той же группе был опубликован отдельный пост:
Вслед за этим утром 25 сентября (т.е. в то время, когда вероятнее всего испытания нового оборудования были в самом разгаре) на городских сайтах Озёрска стали появляться сообщения о том, что 25 и 26 сентября в городе будет проводиться плановая проверка сирен и передачи речевых сообщений по радиосети производственного вещания. На сайте "Озёрск.ru" была опубликована следующая инструкция действий:
Оповещение "Внимание всем". Услышав их, необходимо:
1. Немедленно включить телевизор, радиоприёмник, репродуктор радиотрансляции.
2. Внимательно прослушать экстренное сообщение о сложившейся обстановке и порядке действий.
3. Держать все эти средства постоянно включёнными в течение всего периода ликвидации аварий
, катастроф или стихийных бедствий.
Разумеется, это могло быть протыми плановыми учениями служб ГО, но как раз накануне на "Маяке" начались испытания нового оборудования, а 29 сентября в Германии, Австрии и Италии было зафиксирован повышенный радиационный фон из-за наличия в воздухе радиоизотопа рутений-106.
Что могло произойти на "Маяке" в эти дни? Во время испытаний нового оборудования и работ с ним могла произойти утечка радиовещества — причём это могла быть как простая разгерметизация, так и нечто вроде взрыва, т.е. полностью нештатная ситуация. Власти Озёрска категорически отрицают, что на "Маяке" что-то случилось, но тем не менее власти Челябинской области решили провести своё расследование того, что произошло на Южном Урале.
Такие дела.
Напишите в комментариях, что вы думаете по этому поводу.
« »
Сергеева Екатерина Юрьевна
ГАОУ СПО «Чистопольский политехнический колледж»
Руководитель Ионычева А.Л.
АННОТАЦИЯ
В данной работе меня заинтересовала история открытия, свойства и возможные области применения химического элемента Рутения, который был открыт Карлом Карловичем Клаусом в химической лаборатории Казанского университета и по праву может называться Казанским химическим элементом. 2011 год, был объявлен ЮНЕСКО Годом химии, учащимся Казани и Республики Татарстан стоит вспомнить об этом явно незаурядном событии в более чем 1000-летней истории города Казань и единственного в России человека К.К.Клауса, открывшего естественный химический элемент, тем более, что он по праву считается одним из родоначальников Казанской химической школы.
Данная тема показалась нам интересной и актуальной еще и потому, что
Рутений один из представителей платиновых металлов, но был открыт самым последним. Открытие Рутения представляло большие трудности.
Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы - Рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета.
Изучая проблему, мы пользовались материалами интернет – ресурса: сайта «Мир химии», Викисловарем, Популярной библиотекой химических элементов, Издательство «Наука»,2011г.
Во время проведения недели естественных наук мы провели (в ряду других мероприятий) научно – практическую конференцию: «Великие ученые-химики и их открытия», на которой были представлены исследовательские работы и ряд презентаций, которые стали хорошим подспорьем в работе преподавателей и заинтересованности обучающихся в изучении химии и других естественных дисциплин.
Казанский химический элемент (Рутений)
«Чтобы открыть во времена Клауса новый элемент платиновой группы – рутений, надо было обладать чрезвычайной наблюдательностью, проницательностью, трудолюбием, настойчивостью и тонким экспериментальным искусством. Всеми этими качествами в высокой мере обладал Клаус, один из первых блестящих представителей химической науки тогда еще молодого Казанского университета»
Академик А.Е. Арбузов
История открытия рутения
Рутений-первый химический элемент, открытый русским ученым-химиком Карлом Карловичем Клаусом. Рутений -представитель платиновых металлов, открыт последним среди них.
Исследованиями занимались А. Снядецкий, поляк по национальности, и русский ученый К.К. Клаус. Большую помощь ученому оказал Е.Ф. Канкрин, эанимавший в то время пост министра финансов
К.К. Клаус
Он то и предоставил Клаусу остатки сырой платины, из которой ученый выделил платину, а также другие металлы: родий, палладий, иридий и осмий. Кроме этих металлов выделил также смесь других, в которой по мнению Клауса должно было находиться новое, еще неизвестное вещество. Химик повторил опыты Г.В. Озанна, а затем, разработав свой план эксперимента, получил новый химический элемент-рутений. И опять отправил письмо И.Берцеллиусу, но тот как и в первый раз не согласился с доводами Клауса. Но русский химик не внял доводам Берцеллиуса и доказал, что открыл новый химический элемент платиновой группы. И в 1845 году Берцеллиус признал открытие рутения.
Назван химический элемент в честь России (латинское название России-Рутениа)
По просьбе министерства финансов профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус в 1841 году приступил к поискам способа переработки остатков платиновых руд, накопившихся на Петербургском Монетном дворе, с целью более полного извлечения платины. Годом раньше, стараниями ректора Лобачевского для химической лаборатории было воздвигнуто отдельное двухэтажное здание с огромным подвалом, оснащённое самым современным оборудованием.
Клаус установил состав остатков платиновой руды и разработал методы разделения и получения в чистом виде платиновых металлов. Клаусу пришлось преодолеть исключительные экспериментальные трудности, учитывая уровень знаний тех времен. Кроме того, работа была опасна для здоровья, так как в процессе обработки руд образовывались крайне ядовитые вещества.
Среди выделенных компонентов Клаус обнаружил неизвестный ранее металл. Он изучил свойства как самого металла, так и его соединений, с особой тщательностью определил его атомный вес, отработал метод его выделения и очистки. В 1844 году Клаус опубликовал полученные результаты, назвав новый химический элемент рутением, в честь России. Мировая научная общественность сначала с сомнением приняла это открытие, так как тогда ошибочно «открывалось» много элементов.
Только в 1846 году, когда Клаус опубликовал новую работу о дальнейшем изучении рутения, его открытие было всеми признано. Вскоре казанскому профессору Российской академией наук была присуждена Демидовская премия за исследования в области платиновых металлов. Её величина в 10000 рублей тогда была гораздо большей, чем теперешняя Нобелевская премия.
Химическая лаборатория Казанского университета, где в 1842 году работал Клаус. Сто лет спустя в этой комнате начинал работу будущий Курчатовский институт.
Получение рутения
Разделение платиновых металлов и получение их в чистом виде (аффинаж) -очень сложная задача, требующая большой затраты труда, времени, дорогих реактивов, а также высокого мастерства.. В настоящее время главным источником получения платиновых металлов служат сульфидные медно-никелевые руды. В результате их сложной переработки выплавляют так называемые «черновые» металлы - загрязненные никель и медь. При их электролитическом рафинировании благородные металлы накапливаются в виде анодного шлама, который направляют на аффинаж.
Значительным источником рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий) где его содержание достигает 250 граммов на тонну «сгоревшего» ядерного топлива.
Физические свойства рутения.
По тугоплавкости (Тпл 2250 °C) рутений уступает лишь нескольким элементам - рению, осмию, вольфраму.
Наиболее ценные свойства Рутения - тугоплавкость, твердость, химическая стойкость, способность ускорять некоторые химические реакции. Наиболее характерны соединения с валентностью 3+, 4+ и 8+. Склонен к образованию комплексных соединений. Применяется как катализатор, в сплавах с платиновыми металлами, как материал для острых наконечников, для контактов, электродов и в ювелирном деле.
Химические свойства рутения.
Рутений и осмий хрупки и очень тверды. При действии кислорода и сильных окислителей они образуют оксиды RuO4 и OsO4. Это легкоплавкие желтые кристаллы. Пары обоих соединений имеют резкий, неприятный запах и очень ядовиты. Оба соединения легко отдают кислород, восстанавливаясь до RuO2 иOsO2 или до металлов. Со щелочами RuO4 дает соли (рутенаты). Исследование Рутения ставит сегодня перед химиками три задачи:
Задача №1: Как избавиться от рутения?
У рутения немало ценных и интересных свойств. По многим механическим, электрическим и химическим характеристикам он может соперничать со многими металлами и даже с платиной и золотом. Однако в отличие от этих металлов рутений очень хрупок, и поэтому изготовить из него какие-либо изделия пока не удается. Задача №1 поставлена перед учеными атомной техникой.
Радиоактивные изотопы рутения в природе не существуют, но они образуются в результате деления ядер урана и плутония в реакторах атомных электростанций, подводных лодок, кораблей, при взрывах атомных бомб. С теоретической точки зрения этот факт безусловно интересен. В нем даже есть особая «изюминка»: осуществилась мечта алхимиков – неблагородный металл превратился в благородный. Действительно, в наши дни предприятия по производству плутония выбрасывают десятки килограммов благородного металла рутения. Но практический вред, наносимый этим процессом атомной технике, не окупился бы даже в том случае, если бы удалось применить с пользой весь рутений, полученный в ядерных реакторах.
Чем же так вреден рутений?
Одно из главных достоинств ядерного горючего – его воспроизводимость. Как известно, при «сжигании» урановых блоков в ядерных реакторах образуется новое ядерное горючее – плутоний. Одновременно образуется и «зола» – осколки деления ядер урана, в том числе и изотопы рутения. Золу, естественно, приходится удалять.
Рутений начинает постепенно мигрировать в грунт, создавая опасность радиоактивного загрязнения на больших расстояниях от водоема. То же самое происходит при захоронении осколков в шахтах на большой глубине. Радиоактивный рутений, обладающий (в виде растворимых в воде нитрозосоединений) чрезвычайной подвижностью, или, правильнее сказать, миграционной способностью, может уйти с грунтовыми водами очень далеко.
Борьбе с радиоактивным рутением уделяют много внимания физики, химики, технологи и особенно радиохимики многих стран. На I и II Международных конференциях по мирному использованию атомной энергии в Женеве этой проблеме было посвящено несколько докладов. Однако до сих пор нет оснований считать борьбу с рутением оконченной успешно, и, видимо, химикам придется еще немало поработать для того, чтобы эту проблему можно было перевести в категорию окончательно решенных.
Задача №2: дальнейшее изучение химии рутения и его соединений.
Необычайная актуальность задачи №1 заставляет исследователей все глубже проникать в химию рутения и его соединений.
Рутений – редкий и очень рассеянный элемент. Известен единственный минерал, который он образует в естественных условиях. Это лаурит RuS 2 – очень твердое тяжелое вещество черного цвета, встречающееся в природе крайне редко. В некоторых других природных соединениях рутений – всего лишь изоморфная примесь, количество которой, как правило, не превышает десятых долей процента. Небольшие примеси соединений рутения были обнаружены в медно-никелевых рудах канадского месторождения Седбери, а потом и на других рудниках.
Одно из самых замечательных химических свойств рутения – его многочисленные валентные состояния. Легкость перехода рутения из одного валентного состояния в другое и обилие этих состояний приводят к чрезвычайной сложности и своеобразию химии рутения, которая до сих пор изобилует множеством белых пятен.
Советский ученый Сергей Михайлович Старостин всю свою жизнь посвятил изучению химии рутения и его соединений. Это он установил, что огромные трудности, возникающие при отделении рутения от плутония и урана, связаны с образованием и свойствами нитрозокомплексов рутения.
Некоторые ученые предполагают, что удастся выделить и неорганические полимеры на основе нитрозокомплексов рутения.
Несколько десятилетий назад комплексные соединения рутения сослужили теории химии важную службу, став прекрасной моделью, с помощью которой Вернер создал свою знаменитую координационную теорию. Возможно, полимерные соединения рутения послужат моделью и для создания теории неорганических полимеров.
Задача №3: использование рутения
Где же используется рутений и каковы перспективы его применения?
Рутений, так же как платина и палладий, обладает каталитическими свойствами, но часто отличается от них большей селективностью и избирательностью. В гетерогенном катализе используются металлический рутений и его сплавы. Наиболее эффективные катализаторы получаются при нанесении рутения на различные носители с сильно развитыми поверхностями. Во многих случаях его применяют вместе с платиной для того, чтобы увеличить ее каталитическую активность. Сплав родия, рутения и платины ускоряет окисление аммиака в производстве азотной кислоты. Рутений применяют для синтеза синильной кислоты из аммиака и метана, для получения предельных углеводородов из водорода и окиси углерода. За границей запатентован способ полимеризации этилена на рутениевом катализаторе.
Важное значение приобрели рутениевые катализаторы для реакции получения глицерина и других многоатомных спиртов из целлюлозы путем ее гидрирования.
Металлорганические соединения рутения находят применение в гомогенном катализе для различных реакций гидрирования, причем по селективности и каталитической активности они не уступают признанным катализаторам на основе родия.
Главное достоинство рутения-катализатора в его высокой избирательной способности. Именно она позволяет химикам использовать рутений для синтеза самых разнообразных органических и неорганических продуктов. Рутений-катализатор начинает всерьез конкурировать с платиной, иридием и родием.
Несколько меньше возможности элемента №44 в металлургии, но его применяют и в этой отрасли. Небольшие добавки рутения обычно увеличивают коррозионную стойкость, прочность и твердость сплава. Чаще всего его вводят в металлы, из которых изготовляют контакты для электротехники и радиоаппаратуры. Сплав рутения с платиной нашел применение в топливных элементах некоторых американских искусственных спутников Земли. Сплавы рутения с лантаном, церием, скандием, иттрием обладают сверхпроводимостью. Термопары, изготовленные из сплава иридия с рутением, позволяют измерять самые высокие температуры.
Многого можно ожидать и от использования рутениевых покрытий, нанесенных в виде тонкого слоя (пленки) на различные материалы и изделия. Подобная пленка существенно изменяет свойства и качество изделий, повышает их химическую и механическую стойкость, делает их коррозионно-устойчивыми, резко улучшает электрические свойства и т.д. Тонкие покрытия из благородных металлов, и в том числе из рутения, в последние годы приобретают все большее значение в различных областях электроники, радио- и электротехники, химической промышленности, а также в ювелирном деле.
Интересное свойство металлического рутения – сорбировать и пропускать водород – с успехом может быть использовано для извлечения водорода из смеси газов и получения сверхчистого водорода.
Полезными свойствами обладают многие соединения рутения. Некоторые из них используют в качестве добавок в стекла и эмали как стойкие красители; хлориды рутения, например, увеличивают люминесценцию люминола, полиамины рутения обладают флюоресцирующими свойствами, соль Na2 · 2H2O является пьезоэлектриком, RuО4 – сильнейший окислитель. Многие соединения рутения обладают биологической активностью.
«Вечное» перо
Перья авторучек постоянно трутся о бумагу и оттого стачиваются. Чтобы сделать перо действительно «вечным», на кончике его делают напайку. В состав некоторых сплавов для напайки «вечных» перьев входит рутений. Кроме него, в этих сплавах содержатся вольфрам, кобальт, бор.
Рутений применяют также при изготовлении сплавов для опор компасных игл. Эти сплавы должны быть твердыми, прочными и упругими. Из природных минералов такими свойствами обладает очень редкий осмистый иридий. В искусственные же материалы для компасных игл вместе с осмием и иридием, а иногда и другими металлами, входит элемент №44 – рутений.
Есть контакт!
В электротехнике для контактов издавна используется медь. Она – идеальный материал при передаче сильных токов. Что из того, что через определенное время контакты покрываются окисью меди? Их можно протереть шкуркой и они вновь заблестят, как новенькие. Иное дело в слаботочной технике. Здесь любая окисная пленка на контакте может нарушить работу всей системы. Поэтому контакты для слабых токов делают из палладия или серебряно-палладиевого сплава. Но эти материалы не обладают достаточной механической прочностью. Добавка к сплавам небольших количеств рутения (1...5%) придает контактам твердость и прочность. То же относится и к скользящим контактам, которые должны хорошо противостоять истиранию.
Рутениевая красная.
Так называется неорганический краситель, представляющий собой комплексный аммиачный хлорид рутения.. Рутениевую красную применяют при исследованиях в анатомии и гистологии (науке о живых тканях). Раствор этого красителя при разбавлении 1:5000 окрашивает в розовые и красные тона пектиновые вещества и некоторые ткани. Благодаря этому исследователь получает возможность отличить эти вещества от других и лучше проанализировать рассматриваемый под микроскопом срез.
Применение Рутения для выращивания графена.
Исследователи из Brookhaven National Laboratory (США) показали, что при эпитаксиальном росте графена на поверхности Ru(0001) формируются макроскопические графеновые области. При этом рост протекает послойно, и, хотя первый слой сильно связан с подложкой, второй практически с ней не взаимодействует и сохраняет все уникальные свойства графена.
Синтез основан на том, что растворимость углерода в рутении сильно зависит от температуры. При 1150 °С рутений насыщается углеродом, а при снижении температуры до 825 °С углерод выходит на поверхность, в результате чего формируются островки графена размером более 100 мкм. Островки разрастаются и объединяются, после чего начинается рост второго слоя.
