Рутений

Открыт профессором Казанского университета Карлом Клаусом в 1844 году, в том же году опубликовавшим о новом элементе большую статью «Химические исследования остатков Уральской платиновой руды и металла рутения» в «Учёных записках Казанского университета». Об открытии, методе получения и свойствах нового элемента Клаус сообщил в письме Г. И. Гессу на немецком языке, который зачитал его на заседании Петербургской Академии наук 13 сентября 1844 года^[3], этот текст был опубликован в бюллетене Академии^[4] и в переводе на русский язык — в «Горном журнале»^[5]. Клаус выделил рутений из уральской платиновой руды в чистом виде и указал на сходство между триадами рутений — родий — палладий и осмий — иридий — платина.

Первооткрыватель элемента К. К. Клаус назвал рутений в честь России^[6][7] (Ruthenia — латинское название Руси). Название «рутений» было предложено в 1828 году Г. В. Озанном для элемента, который он по ошибке принял за новый элемент, и Клаус, действительно открывший новый элемент в 1844 году, дал ему это название^[3].

Основными мировыми производителями рутения являются ЮАР (главный поставщик металла на мировой рынок), Зимбабве, Россия, США, Китай. Добыча рутения в 2009 году составляла 17,9 тонн^[8], в 2021 она поднялась до 30 тонн^[9]. Мировые запасы рутения оцениваются в 5000 тонн^[10]. Цена рутения на 27 мая 2016 года составляла — 42 доллара за тройскую унцию (примерно 1,35 USD/г)^[11]. С тех пор цена рутения отличалась большой волатильностью: в июле 2021 года поднималась до 800 $ за тройскую унцию, в декабре 2021 года стабилизировалась на уровне 550 $ или 18 $ за грамм^[12].

Природный рутений состоит из семи стабильных изотопов:

⁹⁶Ru (5,7 % по массе), ⁹⁸Ru (2,2 %), ⁹⁹Ru (12,8 %), ¹⁰⁰Ru (12,7 %), ¹⁰¹Ru (13 %), ¹⁰²Ru (31,3 %) и ¹⁰⁴Ru (18,3 %).

Полная электронная конфигурация атома рутения: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d⁷5s¹

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 плавится 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 случае летит не металл, а четыреокись, устойчивая при очень высоких температурах.

В отсутствие кислорода на рутений не действует ни одна кислота, даже царская водка (исключение составляет концентрированная хлорная кислота (реакция идет только на свету). Однако содержащая воздух соляная кислота медленно растворяет его при обычной температуре, а при 125° (в запаянной трубке) довольно быстро. При нагревании на воздухе рутений чернеет вследствие поверхностного окисления с образованием RuO₂. Если реакция протекает при температуре выше 700°, то образуется смесь оксидов RuO₂ и RuO₄. Фтор действует на порошкообразный рутений уже ниже температуры красного каления с образованием RuF₅ — фторида полимерного строения; рутений реагирует с хлором выше 400 °C (образуется RuCl₃). С серой порошкообразный рутений реагирует лишь при соблюдении особых условий. С фосфором он образует соединение RuP₂ и RuP и Ru₂P; с мышьяком, так же как платина, рутений даёт диарсенид RuAs₂. Щелочи в присутствии кислорода или веществ, легко отдающих кислород, например, смеси KOH с KNO₃ или K₂CO₃ с KCIO₃, а также перекисей, например Na₂O₂ или BaO₂, при высокой температуре энергично действуют на рутений, образуя с ним рутенаты(VI) M¹₂RuO₄.

Рутений способен давать соединения, соответствующие разнообразным степеням окисления:

8 RuO₄; RuO₄ · PCl₃

7 M[RuO₄]

6 M₂[RuO₄]; M₂[RuF₈]; RuF₆

5 M[RuF₆]; RuF₅

4 RuCl₄; RuO₂; M₂[RuCl₆]

3 RuCl₃; М₃[RuCl₆]

2 M₂[RuCl₄]; M₄[Ru(CN)₆]

1 Ru(CO)_nBr

0 Ru(CO)_n

Соединения рутения представлены также широким спектром нитрозосоединений — содержащих группировку RuNO³⁺, например, K₂[RuNOCl₅]. Данные комплексные соединения, в особенности, нитрозонитроамины (например, [RuNO(NO₂)₂(NH₃)₂OH]) и нитрозонитрокомплексы (особенно комплексный анион [RuNO(NO₂)₄OH]²⁻) (жёлто-оранжевый) отличаются высокой устойчивостью и кинетической инертностью.

Тетраоксид рутения (Ru^+VIIIO₄) по свойствам несколько напоминает тетраоксид осмия.

Исследователи из университета Миннесоты в 2018 году показали, что рутений обладает магнитными свойствами при комнатной температуре^[13].

Рутений образует ряд металлоорганических соединений и является активным катализатором.

Рутений получают как «отходы» при аффинировании платины и платиновых металлов.

Значительным источником изотопов рутения для его добычи является выделение его из осколков деления ядерных материалов (плутоний, уран, торий), где его содержание в отработанных ТВЭЛах достигает 250 граммов на тонну отработанного ядерного топлива.

Также разработаны основы технологии получения рутения из технеция-99 с помощью реакторного нейтронного облучения (ядерная трансмутация) технеция-99 ^[14].

• Небольшая добавка рутения (0,1 %) увеличивает коррозионную стойкость титана.
• В сплаве с платиной используется для изготовления чрезвычайно износостойких электрических контактов.
• Диоксид рутения и рутенаты висмута используются в толстоплёночных резисторах. Эти два применения в электронике потребляют порядка 50 % производимого рутения.
• Катализатор для многих химических реакций. Очень важное место рутения как катализатора в системах очистки воды орбитальных станций.
• Рутений красный применяется как конкурентный антагонист для исследования ионных каналов (CatSper1, TASK,RyR1, RyR2, RyR3, TRPM6, TRPM8, TRPV1, TRPV2, TRPV3, TRPV4, TRPV5, TRPV6,TRPA1, mCa1, mCa2, CALHM1).
• Рутений и его сплавы находят применение в качестве жаропрочных конструкционных материалов в аэрокосмической технике, и до 1500 °C по прочности превосходят лучшие сплавы молибдена и вольфрама (имея преимущество также в высокой стойкости к окислению).

Рутений является единственным платиновым металлом, который обнаруживается в составе живых организмов (по некоторым данным — ещё и платина). Концентрируется в основном в мышечной ткани. Высший оксид рутения крайне ядовит и, будучи сильным окислителем, может вызвать возгорание пожароопасных веществ.