Русский металл. Имя рутения не случайно созвучно с названием страны. 44-ый элемент таблицы Менделеева впервые обнаружен в Уральских горах. В 20-ых годах 19-го века там нашли платину .
Изучением образцов занялся Озаин – профессор Юрьевского университета. Он-то и обнаружил в слитках платины новый металл, дав ему латинское название.
На древнем языке Рутения означает Россия. В Академии наук об открытии сообщили в 1844-ом году. С тех пор минуло почти 2 столетия. Этого было достаточно, чтобы досконально изучить рутений.
Химические и физические свойства рутения
Будучи платиноидом, элемент рутений считается благородным. Драгоценный металл красив и тверд. Если золоту да серебру по шкале Мооса дают 4 балла, то рутению – 6,5. То есть, твердость элемента приближена к кварцу, представителями которого являются камни аметист, горный хрусталь, раухтопаз.
Рутений .Отгонка.Получение Рутения .часть1
Твердость рутения сочетается с хрупкостью. Кристаллы металла легко толкутся в ступке, рассыпаясь в порошок. Разобьются агрегаты и при ударе, падении с высоты. Ускорение у такого падения не будет большим, ведь из всех платиноидов рутений самый легкий. Плотность металла составляет меньше 13-ти граммов на кубический сантиметр.
Плохо противостоя ударам, рутений отлично сопротивляется нагреву. Плавится металл при температуре в 2334-ре градуса Цельсия. Жидкость – не единственный итог нагрева.
Если воздействовать электрической дугой, или раскалить элемент на воздухе, он перейдет в газообразное состояние. Ему предшествует четырехокись рутения. Золотистые иглы быстро тают, издавая запах озона.
Если четырехокись преобразуется в жидкость, а не газ, любой контакт с органикой приведет к взрыву. Промышленники часто провоцируют его, ведь характер соединения позволяет выделить абсолютно чистый рутений.
Оксид рутения образуется при температуре не ниже 930-ти градусов. Это доказывает благородство металла. Он не покрывается налетом, не подвержен коррозии. Элемент, вообще, считается инертным.
В реакции вступает лишь в нестандартных условиях. В обычной же обстановке платиноид нерастворим даже в царской водке. Материал не берут не только отдельные кислоты и щелочи, но и их смеси.
Рутений (Ruthenium (Ru)). Как альтернатива Родию.
С другими металлами 44-ый элемент взаимодействует при нагреве минимум до 400-от градусов Цельсия. При этих же условиях запускается реакция с хлором, нитратами и щелочами.
Рутений – химический элемент, способный быть катализатором. То есть, металл ускоряет или же замедляет реакции между другими веществами. Правда, из-за инертности, каталитические свойства элемента проявляются избирательно. Способность же становиться сверхпроводником – постоянное качество рутения. Нулевое сопротивление току – результат нагрева материала.
Предметом изучения химиков часто становится пара рутений-осмий. Интересно, так же, сравнение с родием и железом. На эти металлы 44-ый элемент похож по свойствам. Но, одна способность рутения делает его уникальным.
Платиноид может находиться сразу в 8-ми валентностях, постоянно их менять. Валентность – способность атома образовывать определенное количество связей с другими атомами. Получается, рутений способен присоединить от 1-го до 8-ми.
Применение рутения
У металла яркий блеск и приятный голубовато-серый тон. Элемент благороден и не окисляется. Это привлекает ювелиров . Однако, изделий из чистого рутения нет. Во-первых, элемент дефицитен, кроме России найден лишь на острове Борнео.
Во-вторых, платиноид хрупок, поэтому используется лишь в качестве лигатуры драгоценных сплавов . Они становятся более твердыми и износостойкими. Добавка присутствует, как правило, лишь в платиновых сплавах и лишь в изделиях известных брендов.
Причина – дороговизна рутения и сложность работы с ним из-за особой тугоплавкости. Зато, всего 0,1% 44-го элемента повышает стойкость к коррозии титановых украшений, прибавляет 1 балл прочности золоту или платине.
Рутений – добавка, способная придать золоту черный цвет. Нестандартно окрашенный сплав – писк моды. Затемняют золото и родием, но оттенок получается не столь насыщенным, как в случае с лигатурой из рутения. Любители дорогого шика готовы переплачивать за необычные украшения.
Красителями рутений, точнее, его соединения, стали так же в стекольной промышленности. Составы с 44-ым металлом добавляют и в некоторые элитные эмали. Есть даже флуоресцирующие покрытия. Своим свечением они обязаны как раз соединениям 44-го элемента.
Один из красителей взяла на вооружение медицина. Рутениевый красный способен выделить ткани, при их изучении, к примеру, под микроскопом. Последняя разработка – окрашивание опухолей. Это позволяет хирургам видеть каждую пораженную клетку.
Медики применяют рутений не только в качестве средства выявления пораженных тканей, но и в роли лекарства. Препараты на основе 44-го элемента разработаны для борьбы с туберкулезом и многими инфекциями, поражающими кожу.
Без рутения не обходится космическая отрасль. Топливные элементы спутников Земли в прямом смысле драгоценны. Они состоят из сплава 44-го металла с платиной.
Лишь такой состав по тугоплавкости способен выдерживать нагрузки на орбите. Стойкость рутения к нагреву сделала его, так же, сырьем для термопар. Их используют при замерах высоких температур.
В электронике используется чистая формула рутения. Металл наносят тонким слоем в качестве антикоррозийного покрытия, к примеру, на радиодетали . Напыление делает их, так же, химически неуязвимыми и снижает механический износ.
Добыча рутения
Мировые запасы металл оценены всего в 5000 тонн. При этом, рутений – отход. Имеется в виду, что элемент не добывают отдельно, а выделяют из остатков платинового производства.
Выделяют 44-ый металл и из осколков деления ядерных материалов. В их числе – плутоний, торий, уран. В остатках сгоревшего ядерного топлива можно найти 250 граммов рутения на каждую тонну.
На фото браслет из сплава, в состав которого входит рутений
Если прибегнуть к нейтронному облучению, 44-ый элемент удается добыть из технеция-99. Это один из ядерных изомеров металла. Как сырье для извлечения рутения используется редко, поскольку и сам пригождается человечеству. 99-ый технеций называют медицинским радиоизотопом. Он – основа многих процедур диагностики.
Цена рутения
В январе 2016-го года за грамм рутения просят около 115-ти рублей. Это данные с бирж цветных металлов, в частности, Лондонской биржи. Получается, 44-ый элемент дороже серебра , но дешевле других драгоценных металлов. Так, за грамм золота приходится выложить более 2700-от рублей. Осмий стоит 1000.
Палладий на 300 рублей больше.
Пик цен на рутений пришелся на 2008-ой год. Тогда за 1 грамм просили более 800-от рублей. То есть, за 4-ре предшествующих года запросы продавцов выросли в 25 раз. Выборка сделана за последние 20 лет торгов. Практически до 300-от рублей ценник доходил в 2010-ом году.
В остальное время стоимость драгоценного сырья так и колебалась в районе 100-200-от рублей. Тем не менее, материал входит в 10-ку самых дорогих металлов, занимая в ней то 8-ю, то 9-ю позиции. Если учесть, что покупают элемент, в основном, промышленники, объемы их заказов исчисляются далеко не граммами, и далеко не сотнями рублей.
Источник: tvoi-uvelirr.ru
Рутений (Ru) — четвертый элемент с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре
С таблицей Менделеева мы знакомы еще со школьной скамьи. С годами исследований и поисков в ней появляются новые элементы. Но и те, что уже давно заняли свое почетное место в таблице могут продемонстрировать нечто новое.
Исследователям из университета Миннесоты удалось доказать, что химический элемент под номером 44 — рутений — обладает весьма примечательными магнитными свойствами. Насколько это открытие важно для мира науки и технологий? Как удалось обнаружить скрытые свойства уже известного элемента? И зачем были организованы эти поиски изначально?
На эти вопросы мы и попробуем найти ответы. Поехали.
Что такое Ru?
Для начала стоит познакомиться с главным действующим «лицом» этого события, с рутением. Это элемент восьмой группы пятого периода под атомным номером 44. Он является так называемым переходным металлом. В атомах таких элементов электроны появляются на f и d орбиталях*.
Атомная орбиталь* — одноэлектронная пси-функция (в квантовой механике описывает чистое состояние системы), полученная как результат решения уравнения Шредингера для конкретного атома.
На изображении показаны формы и расположение в пространстве f (зеленый) и d (синий) орбиталей
При разговоре про орбитали используются буквы, соответствующие определенному значению орбитального квантового числа, которое определяет кинетический (орбитальный) момент* электрона.
Кинетический (орбитальный) момент* — величина, описывающая вращательное движение, то есть совокупность таких нюансов: масса вращающегося тела, распределение массы относительно оси вращения, скорость вращения.
Впервые мир узнал о существовании рутения в далеком 1844 году благодаря Карлу Клаусу, профессору Казанского университета. Название данного элемента весьма патриотическое, поскольку слово «Ruthenia», взятое за основу, в переводе с латыни означает «Русь» или «Россия».
Чтобы получить рутений необходимо провести аффинаж* платины или других платиновых металлов.
Аффинаж* — очистка тяжелых металлов от примесей. В случае платины это очистка путем растворения в минеральных кислотах и выделение оной из раствора с помощью реагентов.
Что нового «рассказал» рутений?
О том, что некоторые вещества обладают магнитными, а точнее ферромагнитными свойствами, человечество знает довольно давно. До последнего момента было известно всего 3 элемента из таблицы Менделеева, которые называют ферромагнетиками при комнатной температуре: никель (Ni), железо (Fe) и кобальт (Co).
Однако новое исследование показало, что этот короткий список станет чуть длиннее. Рутений продемонстрировал сатурацию намагниченности 148 emu/cm -3 при комнатной температуре и 160 emu/cm -3 при температуре 10 К (-263.15 °С). Было также выявлено, что данные магнитные свойства начинают изменяться при увеличении толщины испытуемой пленки рутения. Чем толще пленка, тем слабее намагниченность.
Создание образцов для исследований
Пленки рутения толщиной 2.5, 6 и 12 нм были выращены на подложке из Al2O3 по направлению (1120) с дополнительным слоем из молибдена (Mo) толщиной 20 нм. Процесс напыления проводился по 8 точкам в условиях ультравысокого вакуума при давлении 10 -8 торр на каждой точке.
Торр* — иное название единицы измерения «миллиметр ртутного столба». Получил свое имя в честь итальянского математика и физика Эванджелиста Торричелли.
Образец толщиной 2.5 нм выращивался при комнатной температуре. А образцы толщиной 6 и 12 нм подвергались нагреву до 400 °С во время отжига.
Кристаллография образцов
Вырастив при комнатной температуре слой молибдена (20 нм) и рутения (2.5 нм), был создан контрольный образец. Также, в качестве дополнительного контрольного образца, при температуре 400 °С был создан слой (110) молибдена 20 нм в толщину на подложке из Al2O3, но уже без рутения.
На изображении выше (1а) продемонстрирована эпитаксия кристаллографических семейств плоскостей (110) Al2O3//(110) Mo//(011) Ru. Эпитаксиальная* связь была подтверждена с помощью рентгеновской дифракции (XRD), вращая образец 360°.
Эпитаксия* — нарастание одного кристаллического материала на поверхности другого при более низких температурах.
На изображении 1b отчетливо видна 4-кратная симметрия плоскостей (110) Al2O3, а также отмечается поворот кристаллографической ориентации молибдена на 35° от плоскости подложки (001).
Графики 1с показывают результаты θ–2θ дифракционного сканирования для всех четырех образцов.
Образец, выращенный при комнатной температуре, не показал признаков текстурирования. А вот образцы толщиной 2.5, 6 и 12 нм, выращенные при 400 °С, продемонстрировали сильное текстурирование (110) молибдена.
Последний график в данном сете — 1d — демонстрирует рентгеновскую отражательную способность текстурированных образцов. Была выявлена степень шероховатости для каждого образца: 0.21 нм для образца 2.5 нм толщиной, 0.13 для 6 нм и 0.21 для 6 нм толщиной.
Снимки ПРЭМ
Снимки, полученные ПРЭМ (просвечивающим растровым электронным микроскопом) показали сильную текстурированность слоев молибдена и рутения. Также отмечается искажение эпитаксии рутения, что проявляется в виде смещения (110) плоскостей. Исследователи считают, что подобное искажение связано с нестыковкой (001) молибдена и (100) рутения.
Магнитные свойства
С помощью вибрационного магнитометра* были измерены петли гистерезиса* (M-H) для пленок рутения, выращенных при высокой температуре, толщиной 2.5, 6 и 12 нм. Измерения производились при температуре 10 К и 300 К.
Вибрационный магнитометр* — высокочувствительный прибор для определения магнитных свойств различных магнитных материалов.
Схема проведения измерений с использованием вибрационного магнитометра.
Петля гистерезиса* — кривая, изображающая ход зависимости намагничивания от напряженности внешнего поля. Площадь петли отображает необходимые для перемагничивания усилия.
Для образца толщиной 2.5 нм измерения показали ярко выраженные ферромагнитные свойства. Ms при температуре 10 К составил 160 emu/cm -3 , а при температуре 300 К — 148 emu/cm -3 . Поскольку расчеты Ms велись при учете того, что вся площадь пленки рутения является магнитной, была выявлена взаимосвязь между толщиной пленки и силой намагниченности. Чем толще пленка, тем слабее намагниченность.
| Made | 5 | 5 | 2 | 5 | 12 |
| FM | 4 | 5 | 2 | 11 | |
| FM M vs. H | 30 | 21 | 4 | 5 | 55 |
Показатели измерений вибрационного магнитометра:
- Made — количество изготовленных образцов;
- FM — количество образцов, демонстрирующих ферромагнитные свойства;
- FM M vs. H — количество петель гистерезиса.
Как видно из таблицы, образцы толщиной 2.5 нм и 6 нм показывают близкие результаты. Основываясь на этом было вычислено среднее значение намагниченности для этих образцов (при расчетах учитывались все образцы данных толщин) — 141 emu/cm -3 . Приблизительное значение коэрцитивной силы* для всех образцов составило 130 Oe (кА/м).
Коэрцитивная сила* — показатель напряженности магнитного поля, требуемого для полного размагничивания ферромагнитного вещества (или ферримагнитного).
Необходимо было также исключить возможное «загрязнение» образцов, то есть возможность внешнего влияния чего-либо на образец, что могло исказить показатели измерений. Прежде всего для этого был проверен держатель образцов (часть измерительного прибора, куда помещается для фиксации образец). После каждого измерения каждого образца держатель проверялся на наличие парамагнитного сигнала. А для еще большего уточнения результатов проверки, измерения образцов производились повторно с использованием других держателей.
Еще одной проверки были подвергнуты образцы без кристаллографии, дабы подтвердить факт того, что именно текстурированный слой рутения ответственен за проявления ферромагнитных характеристик. Данная проверка, к счастью исследователей, также прошла успешно.
Текстурированный образец молибдена, выращенный на Al2O3 при температуре 400 °C, также был проверен без нанесения слоя рутения и не показал никаких ферромагнитных свойств. Таким образом были отброшены сомнения касательно того, что молибден или процесс термообработки могли каким-то образом «загрязнить» тестируемые образцы, исказив реальные показатели измерений.
Дабы измерить показатели при переходе в комнатную температуру использовался образец толщиной 6 нм. Основой данного измерения стало сопротивление Холла*, выраженное функцией внешнего поля (Гц). Для этого использовался метод ван дер Пау*.
Эффект Холла* — явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле.
Метод ван дер Пау* — четырёхзондовый метод измерения коэффициента Холла. Весьма сложен в исполнении, поскольку для его применения должны быть реализованы определенные условия:
- образец должен быть плоский и однородной толщины, которая должна быть меньше его ширины и длины;
- образец должен быть гомогенным (однородным по составу);
- образец должен быть изотопным (по всей площади его физические свойства должны быть одинаковыми);
- все омнические контакты (между металлом и полупроводником) должны быть расположены на краях образца (или максимально близко к ним);
- площадь каждого контакта должна быть на порядок меньше общей площади образца.
Что такое рутений и где используют
В данной статье мы узнаем, что такое рутений, почему это один из самых редких и дорогих металлов на Земле. Рассмотрим, какие методы получения металла существуют и в чем особенности его физических и химических свойств. Попытаемся понять, как самый твердый металл может быть одновременно и самым хрупким. Разберемся, в каких сферах применяется рутений и почему для ядерщиков он наказание, а для медиков спасение.
Как был открыт Рутений?
Как был открыт рутений и что это за элемент? Это химический элемент, который находится в восьмой группе таблицы Менделеева и имеет свой атомный номер 44. Мы уже рассматривали некоторые металлы из таблицы Менделеева, и знаем, что такое алюминий, теперь остановимся на рутении. Это простой металл он относится к группе платиновых, цвет вещества – серебристо белый.
Открыт он был в Казани еще в 19 веке К.К. Клаусом. Открытие произошло совершенно случайно.
Клаус проводил аналитику заводских остатков платины и однажды ему из монетного двора Санкт Петербурга доставили их в количестве пятнадцати фунтов. Их них были выделена платина и металлы из ее группы.
Остатки он сплавил с селитрой, затем была извлечена та часть, в состав которой входил осмий и хром – эта часть вещества растворяется в воде, а остаток, который осел на дне и не растворялся, он высушил, а затем обработал с помощью дистиллированной кипящей воды. К получившемуся остатку он добавил поташ.
После того как осадок гидроокиси железа был выделен, Клаус обнаружил неизвестное вещество. Свое название рутений получил в честь страны, в которой был открыт – России. Именно так название страны звучит на латинском языке. Но есть версии, что этот металл был открыт гораздо ранее. Первая поддерживает тот факт, что элемент был открыт почти за тридцать лет до Клауса виленским ученым.
По другой версии металл был открыт Озанном в момент проведения анализа платиновой руды в Тагиле. Но и это открытие не было подтверждено, именно поэтому название «рутений» связывают с К.К. Клаусом.
Физико-химические характеристики Рутения
Рутений имеет сои индивидуальные физико-химические характеристики. Они определены его составом, электронной конфигурацией атома и способами получения. Его нельзя относить к цветным или черным металлам, и конечно его не приносят в пункты приема цветного металла в Москве, т.к. относится этот металл к драгоценным, поэтому его скупка запрещена.
Рутений – металл тугоплавкий, он уступает по этому показателю только осмию, иридию, вольфраму. Он практически инертный и не растворяется в кислотах, не подвержен воздействию даже царской водки. Не стоит путать ее с алкогольным напитком. Это смесь концентрированной азотной и соляной кислоты именно эта смесь способна растворять золото.
Рутений способен реагировать с хлором, но только при температуре выше четырехсот градусов. С помощью рутения образуется ряд металлорганических соединений, сам элемент является активным катализатором. Исследования способностей и особенностей рутения продолжаются и в настоящее время. Причина исследований – большая редкость металла.
В земной коре его количество очень ограничено. За счет того, что он относится к группе платины, его определяют, как благородный металл, он красивый и твердый, невероятно редкий и на сто процентов не изученный, его оценка по шкале Мооса выше, чем у серебра и даже золота. По твердости его можно сравнить с кварцем, но эта твердость противоречиво сочетается с невероятной хрупкостью. К тому же в группе платиноидов рутений самый легкий.
Где добывается Рутений?
Где добывается рутений, если этот металл настолько редкий? Всего в мире не более 5000 тонн этого металла. Получить его непросто, потому что этот процесс до конца не изучен и такое производство на поток пока не поставлено. Мы уже говорили, что его невозможно найти в пунктах приема лома дорого даже его реализация преследуется законом. Но при всем этом рутений считается отходом металла.
Все это потому, что его нельзя добыть отдельно, а можно только выделить из остатков платинового производства.
Его можно выделить из ядерных металлов, таких как плутоний или уран. В одной тонне сгоревшего ядерного топлива может находится 250 грамм рутения. Получить элемент можно и из технеция-99. Это ядерный изомер металл, если его облучить нейтронами, то можно извлечь рутений. Кстати, и сам технеций-99 очень востребованный и редкий элемент.
Именно он основа многих медицинских процедур диагностики. Характеристики рутения уникальны и во многом даже парадоксальны. Мы уже рассказывали, что при том, что это самый твердый металл, но в тоже время обладающий высокой хрупкостью и при падении с высоты он может расколоться, а для того чтобы довести кристаллического состояния можно просто растолочь его в ступке. Для того чтобы понять все свойства данного элемента его нужно максимально очистить от примесей, но такой способ пока не изобрели.
Где используется Рутений?
Где используется рутений? Мы уже рассказывали, для чего нужна латунь, но этот сплав часто на слуху, поэтому о его использовании и применении все знают, а вот сферы применения рутения для многих остаются загадкой, но мы попробуем внести ясность в этот вопрос. Металл обладает ярким блеском и приятным цветом. Кроме России рутений обнаружен только на Борнео.
Он благороден и не подвержен окислению, поэтому на него «положили глаз» ювелиры. Но изделий из чистого рутения мир еще не знает.
Металл очень хрупок, поэтому его можно использовать только как легирующий элемент для драгоценных сплавов. Благодаря добавлению рутения даже золото может стать более твердым и устойчивым к износу.
Но из-за его редкости, а значит, и дороговизны его могут позволить себе использовать только самые известные бренды и то в ограниченном количестве, конечно найти такой металл даже в малых количествах в пунктах приема черных металло в невозможно. К тому же ювелирам с ним работать совсем непросто, т.к. это один из самых тугоплавких металлов.
Рутений может придать золоту редкий черный цвет. Именно такие украшения сейчас находятся на пике популярности и моды. Но, конечно, далеко не каждый потребитель может себе позволить такое украшение. Соединения рутения используются в стекольной промышленности для окраски изделий. Именно с ним производители выпускают элитные эмали, которые простому обывателю не доступны также, как и кольца и браслеты с рутением.
Чем интересен Рутений для ученых?
Чем интересен рутений для ученых? Как мы уже говорили, абсолютного способа по выделению рутения, который позволил бы поставить его производство на поток, сейчас не изобретено. Но рутений помогает в медицине, мы уже говорили, что с помощью него проводят диагностику заболеваний, в том числе онкологических.
С его помощью выявляют пораженные ткани, к тому же его можно использовать как лекарственный препарат при данном заболевании. Рутений применяется для космической отрасли из него состоят топливные элементы спутников. В электронике из рутения делают напыление, которое предотвращает износ деталей.
А вот ядерщикам рутений очень мешает, как мы уже говорили на тонну сожженного ядерного топлива, выходит в осадок 250 грамм рутения. И это является реакторным ядом и снижают эффективность ядерной реакции путем захвата нейтронов. А планетологи с его помощью разгадывают загадки Солнечной системы, формируя теорию планетообразования. Так, изотопы рутения позволяют понять откуда прошла метеоритная бомбардировка земли после образования земной коры.
Столько стоит металл Рутений?
Сколько стоит металл рутений? Мы уже рассказывали о ценах на различные металлы и сплавы и изделия из них, например, что можно сделать из бронзы, но если их еще можно облачить в какой-то средний денежный эквивалент, то с рутением все гораздо сложнее, не знаем, будет преувеличение сказать, что он бесценный. Но биржи указывают иные показатели, так в 2016 году он был дороже серебра, но дешевле, чем остальные драгоценные металлы.
Пик стоимости рутения пришелся на 2008 год, покупают металл в основном промышленники на Лондонской бирже. Но несмотря на то, что цена по закупкам бирже далеко не высокая, но рутений все равно входит в ТОП 10 самых дорогих металлов в мире, даже при том, что с 2008 года, когда за грамм рутения просили 800 рублей, его цена не поднимала более, чем 200 рублей.
Источник: metallolom777.ru