Рутений

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Новосибирский государственный университет 

Экономики и Управления «НИНХ»

РЕФЕРАТ

На  тему: «Рутений»

По дисциплине: «Технологии и материаловедение»

Выполнила: студентка 3 курса гр.10098

Монгуш Белекмаа

Проверила: Волкова  О.С.

г.Новосибирск 2012

Оглавление:

Введение3

Общие сведения. Получение  и использование рутения  4-5

Основные свойства6-9

Как избавиться от рутения10-11

Заключение12

Список литературы13

Введение

Клаус «в сущности, заново создал химию этих металлов. Вот почему знакомство с его работами обязательно и теперь для каждого, изучающего платину и ее спутников», что «они вошли в золотой фонд науки».

Звягинцев А.П.

На протяжении многих веков  люди вели поиск новых химических элементов. Сотни самоотверженных  и фанатично влюблённых в науку  химиков разных стран предпринимали  настойчивые попытки отыскать ещё  неизвестные кирпичики мироздания. Сколько сил, времени и труда  было затрачено ими при этом, сколько  изобретательности проявлено. Всё  в этом поиске приносилось в жертву науки. И как счастлив, бывал исследователь, когда находил то, что искал, держа  в руках склянку с новым  веществом, невиданным до него ни одним  человеком в мире. История открытия химических элементов – это большая  часть истории человеческих знаний.

В таблице Менделеева около 115 элементов, но несмотря на все многообразие названий, их можно подразделить на 6 групп, в которых эти названия будут объединены по принципу своего происхождения. Одни из них были названы  по географическим и астрономическим  объектам (Европий, Германий), по внешним свойствам и виду элемента (Барий, Золото), другие по свойствам элемента (Водород, Железо), по соответствующим соединениям(Азот, Кальций), по именам ученых (Эйнштейний, Кюрий), открывших этот элемент, так же названия были взяты из мифологии (Титан, Кобальт).

Для начала несколько фактов, характеризующих особое положение  рутения среди всех химических элементов.  
 
Рутений – один из аналогов платины. Он самый легкий и, если можно так выразиться, самый «неблагородный» из платиновых металлов. 
 
Рутений – самый «многовалентный» элемент: он может существовать по крайней мере в девяти валентных состояниях (каких?. 
 
Рутений – первый элемент, который позволял связать азот воздуха в химическое соединение (комплексное соединение рутения), подобно тому как это делают некоторые бактерии. Состав этого комплекса [(NO)(NH₃)₄RuN₂,Ru(NH₃)₄(NO)]Cl₆. В 1965 г. канадский ученый Альберт Аллен получил более простое соединение (тоже комплексное) [Ru(NH₃)₅N₂]Cl₂. 
 

Общие сведения. Получение и использование рутения

  Рутений (Ru) Д металл белого цвета со слабо голубоватым отливом. Относится к платиновым металлам. Открыт в 1844 г. русским химиком Клауссом и назван им в честь России (латинское Ruthenia). Сообщение об этом открытии появилось лишь в 1845 г., когда Берцелиус подтвердил результаты опыта Клаусса и признал рутений новым элементом. Его содержание в земной коре составляет 5*10^-7 %. Входит в состав очень редкого минерала лаурита Ru(Os)S₂, содержится в осмтистом иридии(до 18 %), а также в самородной платине (до 0,05 %). В рассеянном состоянии рутений находят в сульфидных медноникелввых рудах. 

 
 
Несмотря на малую распространенность в природе и ограниченные масштабы добычи рутения, этот элемент никак  не назовешь безработным. 
 
Рутений – самый неблагородный из платиновых металлов, однако ему присуще большинство их свойств. Более того, он обладает и рядом специфических свойств. С каждым годом все более расширяются области применения рутения. В связи с этим возникает проблема– как увеличить производство рутения, найти новые, более эффективные способы его извлечения из полупродуктов медноникелевого производства, где этот элемент присутствует совместно с другими благородными и неблагородными металлами. Чтобы эффективно извлекать рутений, нужно хорошо знать химию его соединений, особенности поведения в растворах и различных процессах. Используя электрохимические методы, экстракцию и осаждение, научились выделять и отделять рутений от всех сопутствующих элементов. 
 
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. Известный советский ученый академик А.А. Баландин и его сотрудники с помощью рутения сумели превратить в ценные химические продукты древесные опилки, кукурузные кочерыжки, шелуху от семян подсолнуха и коробочки хлопчатника. В печати промелькнуло сообщение о том, что рутениевый катализатор был успешно применен при синтезе алмазов. Технологическая цепочка получения рутения включает растворение платиновых концентратов в царской водке, сплавление осадка с кальцинированной содой, бурой, свинцовыми глетом и древесным углем, окислительное сплавление с серебром на пористом сосуде из огнеупорного материала (купелирование), последующую обработку азотной кислотой, сплавление осадка с бисульфатом натрия, растворение в воде, фильтрование осадка, сплавление его с гидроокисью калия и нитратом калия или перекисью натрия, повторное растворение в воде н, наконец, выделение рутения либо пропусканием через раствор хлора, отгонкой RuO4, улавливанием иона родия смесью метилового спирта и соляной кислоты с последующим выпариванием, либо улавливанием иона родия в приемниках с соляной кислотой с последующим кипячением и обработкой хлоридом аммония. В первом случае образуется оксихлорид рутения RuOCl₂, во втором Д гексахлоррутенат (NH₄)₃RuCl6. При прокаливании этих соединений в атмосфере водорода при 1273 К получают рутениевую губку. Химический состав, %, промышленного аффинированного порошка рутения приводится по ГОСТу 12343Д79.Содержание углерода в аффинированном порошке рутения составляет в среднем 0,025 %; дуговая плавка и зонная очистка снижают его до 0,012 и 0,005 % соответственно. Содержание кислорода и водорода, % (по массе), в рутении различной степени чистоты: 
Плавка                                О₂                 Н₂ 
Дуговая вакуумная .... 0,012Д0,006    0,0009 
Электронно-лучевая с зонной 
очисткой..........................0,016         0,0001

 
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.

Основные свойства рутения 

Физические свойства: 
  Атомные характеристики.

 Атомный номер 44, атомная  масса 101,07 а. е. м., атомный объем  8,28*10^-6 м³/моль, атомный раднус 0,134 нм, ионный радиус Ru⁴⁺ 0,067 нм, потенциалы ионизации  (эВ): 7,36; 16,6; 30,3. Электроотрицательность 1,42. Рутений имеет г. п. у.  (гранецентрированная плотноупакованнаярешётка) решетку с плотнейшей упаковкой ти па Mg (A3) и периодами а=0,27057 и с=0,42815 нм. Энергия кристаллической решетки 670 мкДж/кмоль. Известно устойчивых изотопов рутения с массовыми числами: 96,98,99,100, 101,102 и 104; наиболее распространен ¹⁰²Ru, содержание которого составляет 31,61 %. Искусственно получены радиоактивные изотопы рутения с массовыми числами 94Д107 и периодами полураспада от 4 мин до 1 года. Эффективное поперечное сечение захната тепловых нейтронов (2,56±0,12)*10^-28 м²; среднее сечение рассеяния, полученное экспериментально для максвелловского спектра нейтронов ранно (6±1)*1О^-28 м². Работа выхода электрона 4,6 эВ, сродство к электрону 1,4 эВ. 
Плотность Плотность р твердого рутения при 273 К равна 12,06 Мг/м³, плотность рутения в жидком состоянии (при 2700 К) 10,9 Мг/м3. 
Электрические и магнитные: 

Удельная электрическая  проводимость а рутения и его  удельное электросопротивление р в  зависимости от температуры: 
 

 
Удельное электрическое сопротивление  монокристаллического рутения анизотропно. Так при 4,2 К отношение значений электросопротивлений Р_||С/Р_с = 1,11, а при 300 К оно возрастает до 1,36. Температура перехода рутения в сверхпроводящее состояние при напряженности магнитного ноля 0,578 А/м равна Тс=0,47 К. Абсолютный коэффициент т. э. д. с. е₁ вычисленный по отношению к платине, в зависимости от температуры: 
 

 
Постоянная Холла рутения при  температуре 293 К и магнитной индукции В = 4,47 Тл R =2,2*10^-10 м³/Кл. Поперечный четный гальваномагнитный эффект для поликристаллического рутения, содержащего 0,01 % примесей, при температуре 20,4 К и напряженности магнитного поля 31,8*10⁵ А/м dR/RД0,151. Значения магнитной восприимчивости рутения χ в зависимости от температуры:

 
Тепловые и  термодинамические:

Температура плавления рутения 2250°С, температура кипения 4077 С, характеристическая температура 580 К, удельная теплота плавления 222,8 кДж/кг, удельная теплота сублимации при 298 К 6416,3 кДж/кг, расчетная удельная теплота испарения при температуре кипения 5857,3 кДж/кг. Удельная теплоемкость Ср рутения в зависимости от температуры:

 
        
По данным измерения удельной теплоемкости предполагают существование ос, р, V н б-модификаций рутения, причем переход а->-|3 происходит при 1032°С (скрытая теплота превращения 1,385 кДж/кг), переход 0-ку при 1200 С (скрытая теплота не определена) н переход Y^-S Д прн 1500°С (скрытая теплота превращения 9,5 кДж/кг). Однако вопрос наличия полиморфизма в рутении до настоящего времени остается дискуссионным, поскольку температурные зависимости т. э. д. с. и параметра кристаллической решетки не обнаруживают скачков в районе предполагаемых полиморфных превращений. 
Теплопроводность рутения определена только для температурного интервала 273Д373 К, где ее среднее значение равно Я== 116,3 Вт/(м-К). 
Температурный коэффициент линейного расширения рутения при 
323 К ос = 9,9Ы0-в К"1- Удельная электронная теплоемкость сэ^= 
[3 мДж/(моль-К2)]7\ молярная энтропия s°=28,5 Дж/(моль-К).  
Поверхностное натяжение рутения при температуре плавления о=> = 2050Д2250 мН/м, коэффициент чувствительности поверхностного натяжения к температуре daldT=Д0,31 мН/(м-К). 

Механические  свойства: 

Отожженный рутений имеет  временное сопротивление разрыву  при растяжении ав=490Д500 МПа, предел текучести со,2=37ОД380 МПа, относительное  удлинение 6=3 %, сужение площади поперечного  сечения г|з=2 %, твердость по Бринеллю НВ 1790 Д 2160 МПа, твердость по Виккерсу HV=2550Д4900 МПа. Пластичность рутения очень мала, поскольку температура перехода из пластичного состояния в хрупкое гораздо выше комнатной температуры и составляет примерно 1000° С. Модуль нормальной упругости рутения по разным 
494 
данным составляет £=422Д462,8 ГПа, модуль сдвига G 160Д170 ГПа. Сжимаемость рутения х=О,ЗЫ0~п Па~'. Данные о влиянии температуры на механические свойства рутения отсутствуют.

 
Химические свойства: 

Нормальный электродный  потенциал реакции RuД2e=P±:Ru2+ фо=0,45 В; степень окисления от +2 до +8, наиболее часто встречающиеся +3, + 4, +6, +8. 
Окислительно-восстановительный потенциал рутения в кислотных средах равен 0,874Д0,9 В. 
Рутений достаточно пассивный металл, в нормальных условиях на него не действуют кислоты, даже царская водка. Расплавленные щело* чи в смеси с окислителями переводят рутений в растворимые в воде соли Д рутенаты Me2RuO4 и перрутенаты MeRuO4 (где Me Д щелочной металл), в которых рутений проявляет степень окисления +6 и +7 соответственно. Из соединений 4-валентного рутения известны RuOj, RuO(OH)2, RuCU, R11S2, а также многочисленные комплексные соединения. Трехвалентный рутений известен в форме простых соединений типа RuCl3, Rul3, а также большого числа комплексных соединений типа Me3[RuAr6], Me2[RuAY{ и др. Соединений 2-валентного рутения получено мало. При 723Д873 К рутений легко растворяется в воде, образуя раствор бурого цвета. 
Гидриды рутения не обнаружены.  
Компактный рутений адсорбирует некоторое количество водорода; наибольшей адсорбционной способностью обладает рутений, полученный электроосаждением.  
Диаграмма состояния рутений Д кислород не изучена. Однако, известно, что прн нагревании на воздухе выше 400° С рутений легко окисляется до КиО2. Известна также четырехокись RuO4, открытая еще в 1860 г. 
Взаимодействие рутения с азотом практически не изучалось. 
Максимальная растворимость углерода в рутении при 1942° С достигает 0,36% (по массе); при температуре 1256°С она составляет 0,112%, а при 820°С Д всего 9-10Д4 %. Избыточный углерод выделяется по базисным плоскостям кристалла в виде пластин графита неправильной формы и различного размера. 
По характеру взаимодействия с переходными металлами рутений резко отличается от других металлов платиновой группы, поскольку обра-зует наиболее простые диаграммы с наименьшим числом химических соединений. Непрерывные твердые растворы рутений образует с осмием, уехнецием, рением и кобальтом. Переходные металлы VA и VIA группы растворимы в рутении в количестве до 52,5 % (ат.). Раствори* мость элементов IIДIV групп существенно ниже и составляет 2Д8 % (ат.). Типичными соединениями в сплавах рутения являются Лавес-фазы. В системах со скандием, иттрием и РМЗ иттриевой подгруппы £ти фазы имеют гексагональную решетку типа MgZn2, тогда как в системе с РЗМ цериевой подгруппы Д решетку типа MgCu2. С металлами IV и V групп рутений образует соединения эквиатомного состава, а с металлами VI группы Д а-фазу с решеткой (}-U. 

Технологические свойства:

 
Рутений поставляют в виде порошка  или прессованных и спеченных  прутков. Выплавляют рутений и его  сплавы в индукционных дуговых И  электронно-лучевых печах в среде  аргона нли в вакууме. Полосы или  Прутки из рутения можно изготовить ковкой в обжимках, свободной Ковкой илн прокаткой. Ковку в обжимках проводят при 1150Д1500° С, & прокатку Д при 1050Д1250 °С. Полосу рутения, прокатанную  до 0,5 мм, можно далее раскатать  при комнатной температуре до толщины 0,08 мм. Температура рекристаллизации рутения по различным данным составляет от 1000° С для предварительной  деформации 85% до 1400° С для деформации 60%. Эта температура зависит от его чистоты, которая в свою очередь  определяется способом его получения: 
Плавка Содержание примесей, 10~3 % (по массе)  
Pt Pd Rh Си Mgf si Fe ля Мп МО BI 
При прокатке в вакууме технологические свойства рутения выше, чем при прокатке на воздухе, так как при этом не происходит газонасыщения металла и образования поверхностного слоя окалины, наличие которой может привести к разрушениям по кромкам материала, подвергнутого 30 %-ному обжатию. Прокатка рутения при 1100Д1200°С не приводит к упрочнению материала, так как при этих температурах и обжатиях порядка 30 % происходит динамическая рекристаллизация. Наилучшим технологическим режимом прокатки вакуумплавленного рутения является прокатка в вакууме при 1200Д1400° С. 

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. По-видимому, хрупкость и неподатливость рутения  механической обработке объясняются  недостаточной чистотой образцов, подвергаемых испытаниям. Физические свойства этого  металла очень сильно зависят  от способа получения, а выделить рутений высокой чистоты пока еще не удалось никому. Попытки  получить чистый рутений спеканием  в брикетах, зонной плавкой и другими  методами не привели к положительным  результатам. По этой причине до сих  пор точно не установлены такие  технически важные характеристики, как  предел прочности при растяжении и относительное удлинение при  разрыве. Лишь недавно точно определена температура плавления рутения  – 2250°C, а точка его кипения  лежит где-то в районе 4900°C. Еще  одно немаловажное свойство рутения: при  температуре 0,47°К он становится сверхпроводником. 
 
Компактный металлический рутений не растворяется в щелочах, кислотах и даже в кипящей царской водке, но частично растворяется в азотной кислоте с добавками сильных окислителей. Рутений можно растворить в щелочной среде или в кислой среде электрохимическим методом. При нагревании на воздухе рутений начинает частично окисляться. RuO₄ – очень интересное соединение. В обычных условиях это золотисто-желтые иглообразные кристаллы, которые уже при 25°C плавятся, превращаясь в коричнево-оранжевую жидкость со специфическим запахом, похожим на запах озона. 
 
 
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. Большинство радиоактивных изотопов рутения недолговечны, но два – рутений-103 и рутений-106 – имеют достаточно большие периоды полураспада (39,8 суток и 1,01 года) и накапливаются в реакторах. Знаменательно, что при распаде плутония изотопы рутения составляют до 30% общей массы всех осколков деления. С теоретической точки зрения этот факт безусловно интересен. 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. Мало того, что ядра осколочных элементов захватывают нейтроны и обрывают цепную реакцию, они еще создают уровни радиации, значительно превышающие допустимые. Основную массу осколков отделить от урана и плутония относительно легко, что и делается на специальных заводах, а вот радиоактивный рутений доставляет много неприятностей.

Заключение:

В заключении хочу сказать, что главными достоинствами рутения являются катализаторы в его высокой избирательной способности. Именно они позволяют химикам использовать рутений для синтеза самых разнообразных органических и неорганических продуктов. Рутений как катализатор начинает всерьез конкурировать с платиной, иридием и родием. 

Список использованной литературы:

1. Xимия рутения, M., 1965;
2. Физикохимия рутения и его сплавов, M., 1979.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki
4. http://mir-prekrasen.net/ 1232-ruteniy.html