Он серебристо-серый. Если прищуриться, он очень похож на платину. Он тверже. Он более хрупок. Это рутений.
Возможно, вы не знаете этого имени. Вероятно, вы никогда не держали его в руках. Но этот малоизвестный элемент тихо укрепляет сплавы, определяющие высокотехнологичную промышленность. Без него платина и палладий были бы слишком мягкими для многих критически важных применений. Это легирующий агент, необходимый по необходимости.
История его открытия запутанна. Металл содержится в земной коре в невероятно низких концентрациях. Речь идет о 0,001 части на миллион. Этого почти нет. Однако он встречается в самородных сплавах с иридием и осмием. Его содержание может достигать 14,1 процента в иридосмине. Или 18,3 процента в сизерските. Он скрывается и в сульфидных рудах. Вспомните пентландит в Судбери, Онтарио. Этот никелевый регион добывает его в количествах, достаточно малых, чтобы вызывать раздражение, но достаточно больших для коммерческого извлечения.
Кто же фактически заявил об открытии? Это было нечисто. Готфрид Вильгельм Осанн попытался идентифицировать его еще в 1828 году. Он потерпел неудачу. Его выводы остались неопределенными. Десятилетия спустя, в 1844 году, русский химик Карл Карлович Клаус вступил в игру. Он окончательно установил существование этого редкого, яркого металла. Он также сохранил имя, предложенное Осанном. Почему? Традиция? Упорство? Может быть, просто потому, что имя прижилось.
Это металл платиновой группы. Он относится к группам 8–10 и периодам 5 и 6 периодической таблицы. Он находится в переполненном районе. Дефицитность рутения делает его сложным в обработке. Его хрупкость ограничивает возможности его формовки. Но его способность упрочнять другие металлы делает его незаменимым.
Мы извлекаем его из никелевых рудников. Мы получаем его из руд иридия. Мы его рафинируем. Затем мы добавляем его в платину. В результате получается материал, который выдерживает давление. Вот почему он важен. Не потому, что он красив. А потому, что он работает.
Цепочка поставок напряженная. Содержание в природе низкое. Спрос специфичен. И Клаус дал ему имя, которое мы используем сегодня.
Что произойдет, когда никелевые месторождения иссякнут? Или когда спрос на каталитические конвертеры резко возрастет? Математика становится жесткой. Рутений и так дефицитен. Найти его становится только сложнее.
Практические ограничения чистого рутения
Вы не можете просто расплавить рутений и залить его в форму. Его температура плавления слишком высока, а хрупкость сохраняется даже при раскалении до белого каления. Попробуйте прокатать его в листы или вытянуть в проволоку — он трескается. Металл просто отказывается вести себя как пластичная медь или ковкое золото. Из-за этого промышленное применение чистого металлического рутения практически отсутствует.
Единственное реальное применение массивного металла — в качестве легирующего агента для платины и других платиновых металлов. Он берет на себя основную работу по упрочнению. Иридий делает то же самое для платины, но рутений объединяет усилия с родием для упрочнения палладия. В результате получается превосходный материал. Эти упрочненные сплавы гораздо лучше сопротивляются износу, чем чистые металлы. Они доминируют в производстве ювелирных изделий, которые должны выдерживать ежедневные нагрузки. Они также используются в электрических контактах, которые должны противостоять трению от постоянного подключения и отключения.
Ядерная тень
Рутений скрывается в отходах ядерных реакторов. Он появляется среди продуктов деления урана и плутония. В частности, радиоактивный рутений-106 является одним из основных компонентов. Его период полураспада составляет около одного года. Он распадается на родий-106, который является короткоживущим, но высокоактивным. Вместе они составляют значительную часть остаточной радиации в реакторном топливе через год после использования.
Это создает логистический кошмар для переработки. Вы хотите извлечь неиспользованный делящийся материал из отработавшего топлива. Но радиационная опасность серьезна. Хуже того, химическое поведение рутения имитирует поведение плутония. Разделить их трудно. Сходство делает практически невозможным чистое извлечение полезного топлива без борьбы с загрязнением рутением.
Изотопы и химическая стойкость
Природный рутений — это не одно вещество. Это смесь из семи стабильных изотопов. Рутений-102 является наиболее распространенным (31,6 %). За ним следует рутений-104 (18,6 %). Остальные составляют меньшие доли: рутений-101 (17,1 %), рутений-99 (12,7 %), рутений-100 (12,6 %), рутений-96 (5,54 %) и рутений-98 (1,86 %). Металл существует в четырех аллотропных формах.
Химически он почти неуязвим для атак. Вместе с осмием рутений является самым благородным из платиновых металлов. Он не тускнеет на воздухе. Сильные кислоты не могут его растворить. Даже царская водка не действует. Чтобы разрушить его, нужно сплавить его с щелочным окислительным флюсом, таким как пероксид натрия. Для верности добавьте хлорат натрия. В результате получается зеленый расплав, содержащий перруонат-ион. Растворите его в воде, и вы получите оранжевый раствор стабильного руонат-иона.
Степени окисления и летучие опасности
Химия рутения охватывает диапазоны от -2 до +8. Наиболее важными степенями окисления являются +2, +3, +4, +6 и +8. Он образует карбонильные и органометаллические соединения в низких степенях окисления. Но он также процветает в высоких степенях окисления. Железо, его более легкий родственник, с трудом достигает степеней окисления +6 или +8. Рутений достигает их легко.
Это приводит к образованию тетраоксида рутения, RuO₄. Он является высоколетучим. Химики используют его для разделения рутения от других тяжелых металлов. Он содержит элемент в своей самой высокой известной степени окисления +8. Интересно, что, хотя он разделяет стабильность и летучесть с тетраоксидом осмия, он не может быть получен непосредственно из элементов. Химия рутения и осмия протекает по схожим направлениям. Они образуют обширные серии тетраоксидов, оксогалогенидов и оксоанионов.
В воде простые акваионы практически не существуют. Практически любой водный раствор содержит комплексы. Координационная химия богата. Существует даже уникальная серия нитрозильных комплексов.
Свойства элемента
атомный номер: 44
атомный вес: 101,07
температура плавления: 2 250 °C (4 082 °F)
температура кипения: 3 900 °C (7 052 °F)
удельный вес: 12,30 (20 °C)
валентность: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
электронная конфигурация: 2-8-18-15-1 или (Kr)4d⁷5s¹
