Ruthenium is het lichtste en minst "edele" van alle metalen uit de platinagroep. Het is misschien wel het meest "multivalente" element (er zijn negen valentietoestanden bekend). Ondanks meer dan een halve eeuw onderzoeksgeschiedenis, stelt het vandaag de dag nog steeds veel vragen en problemen voor moderne chemici. Dus wat is ruthenium als een chemisch element? Om te beginnen een korte uitweiding in de geschiedenis.
Mysterieus en rijk
De naam en geschiedenis van de ontdekking van ruthenium zijn onlosmakelijk verbonden met Rusland. Helemaal aan het begin van de 20e eeuw was de wereldgemeenschap opgewonden en bezorgd door het nieuws dat de rijkste afzettingen van platina waren ontdekt in het Russische rijk. Er gingen geruchten dat in de Oeral de winning van dit edelmetaal met een gewone schop kon worden uitgevoerd. Het feit van de ontdekking van rijke deposito's werd al snel bevestigd door het feit dat de minister van Financiën van Rusland, E. F. Kankrin, het hoogste decreet over het slaan van munten van platina naar de St. Petersburg Mint stuurde. In de daaropvolgende jaren werden ongeveer anderhalf miljoen munten (3, 6 en 12 roebel) in omloop gebracht, voor de productie waarvan 20 ton edelmetaal werd uitgegeven.
"Ontdekking" Ozanne
Professor van Derpt-Yuryevsky (nu Tartu) University Gottfried Ozann begon de samenstelling van het kostbare erts van de Oeral te bestuderen. Hij kwam tot de conclusie dat platina vergezeld gaat van drie onbekende metalen - polynoom, polynoom en ruthenium - waarvan Ozann zelf de namen heeft gegeven. Trouwens, hij noemde de derde naar Rusland (van het Latijnse Ruthenia).
Ozanne's collega's in heel Europa, onder leiding van de meest gezaghebbende Zweedse chemicus Jens Berzelius, waren zeer kritisch over het rapport van de professor. In een poging om zichzelf te rechtvaardigen, herhaalde de wetenschapper een reeks van zijn experimenten, maar slaagde er niet in om dezelfde resultaten te bereiken.
Twee decennia later raakte hoogleraar scheikunde Karl Karlovich Klauss (Kazan University) geïnteresseerd in het werk van Ozanne. Hij kreeg toestemming van de minister van Financiën om enkele ponden overgebleven munten uit het laboratorium van de Munt mee te nemen om opnieuw te testen.
Kazan scheikundig element ruthenium
De Russische academicus A. E. Arbuzov merkte in zijn geschriften op dat een scheikundige, om een nieuw element in die tijd te ontdekken, extreme ijver en doorzettingsvermogen, observatie en inzicht nodig had, en vooral een subtiele experimentele flair. Alle bovengenoemde eigenschappen waren in hoge mate inherent aan de jonge Karl Clauss.
Het onderzoek van de wetenschapper had ook praktische betekenis - extra extractie van puur platina uit ertsresiduen. Nadat hij zijn eigen plan voor het experiment had ontwikkeld, versmolt Klauss het ertsmateriaal met salpeter en extraheerde oplosbare elementen: osmium, iridium,palladium. Het onoplosbare deel werd blootgesteld aan een mengsel van geconcentreerde zuren ("aqua regia") en destillatie. In het neerslag van ijzerhydroxide ontdekte hij de aanwezigheid van een onbekend metaal en isoleerde het eerst in de vorm van sulfide en vervolgens in zuivere vorm (ongeveer 6 gram). De professor behield de door Ozann voorgestelde naam voor het element - ruthenium.
Openen en bewijzen
Maar het bleek dat het verhaal van de ontdekking van het chemische element ruthenium nog maar net begon. Na de publicatie van de resultaten van het onderzoek in 1844 viel er een regen van kritiek op Clauss. De conclusies van de onbekende Kazan-wetenschapper werden sceptisch ontvangen door de grootste chemici ter wereld. Zelfs het sturen van een monster van het nieuwe element naar Berzelius heeft de situatie niet gered. Volgens de Zweedse meester was het ruthenium van Clauss slechts "een monster van onzuiver iridium".
Alleen de uitstekende kwaliteiten van Karl Karlovich als analytisch chemicus en experimentator en een reeks aanvullende onderzoeken stelden de wetenschapper in staat zijn zaak te bewijzen. In 1846 kreeg de ontdekking officiële erkenning en bevestiging. Voor zijn werk ontving Klauss de Demidov-prijs van de Russische Academie van Wetenschappen voor een bedrag van 10.000 roebel. Dankzij het talent en het doorzettingsvermogen van de Kazan-professor werd ruthenium, het eerste element dat in Rusland werd ontdekt, toegevoegd aan de gelederen van platinoïden.
Verder onderzoek
Het grootste probleem bij het bestuderen van de chemische en fysische eigenschappen van ruthenium is het extreem beperkte geh altedit metaal in de aardkorst. In het afval van de platinaproductie (het werkmateriaal van Clauss) is het geh alte bijvoorbeeld ongeveer 1%. De meeste chemische wetenschappers erkennen ruthenium als een uiterst ongunstige stof voor studie. De overvloed aan impasses zorgt er vaak voor dat onderzoekers hun werk inperken of stopzetten.
De Sovjetwetenschapper SM Starostin wijdde zijn hele leven aan het bestuderen van de eigenschappen van een "ongemakkelijk" metaal en zijn verbindingen. Het belangrijkste resultaat van de activiteit van de chemicus zijn de conclusies over de eigenschappen van rutheniumnitrosocomplexen en de moeilijkheden die ermee gepaard gaan bij het scheiden van zuiver metaal van begeleidend uranium en plutonium. Wat is ruthenium als chemisch element?
Fysieke eigenschappen
Ruthenium is een metaal waarvan de kleur, afhankelijk van de manier van verkrijgen, varieert van grijsblauwachtig tot zilverwit. Sommige fysieke kenmerken van het chemische element ruthenium stellen ons in staat om het als een unieke stof te beschouwen. Naast een hoge brosheid (kristallen worden zelfs gemakkelijk met de hand tot poeder vermalen), heeft ruthenium een extreme hardheid - 6,5 op een tienpunts mineralogische hardheidsschaal (schaal van Mohs). Misschien wel de lichtste van de metalen uit de platinagroep. Dichtheid is 12,45 g/cm3. Het is zeer vuurvast - de overgangstemperatuur naar de vloeibare toestand is 2334 ° C. Tijdens het smelten in een elektrische boog wordt gelijktijdige verdamping van het metaal waargenomen. Tijdens calcineren bij hoge temperatuur in open lucht "vervluchtigt" het element in de vormtetroxiden.
Ruthenium is geclassificeerd als een supergeleider. Het metaal vertoont geen weerstand bij afkoeling tot 0,47 K. Deze eigenschap is van groot belang vanuit wetenschappelijk en praktisch oogpunt. Als platinoïde is ruthenium een zeer interessant edelmetaal.
Element Ru
De eigenschappen van het "Kazan" metaal zijn in veel opzichten typerend voor vertegenwoordigers van de VΙΙΙ (platina) groep. Ruthenium is een chemisch element van het periodiek systeem met atoomnummer 44, gekenmerkt door een hoge inertie. Het heeft 7 stabiele natuurlijke en 20 kunstmatige isotopen met massagetallen van 92 tot 113.
Onder normale temperatuur is het niet onderhevig aan oxidatie en corrosie, zuren en logen. Bij verhitting boven 400 ° C reageert het met chloor, bij 930 ° C - met zuurstof. Bij sommige metalen vormt het chemische element ruthenium stabiele legeringen die intermetallische verbindingen worden genoemd.
In tal van verbindingen vertoont het een valentie van nul tot acht. De belangrijkste zijn rutheniumdioxide en tetroxide, sulfide RuS2 en fluoride RuF5.
In zijn pure metallische vorm heeft het de eigenschappen van een katalysator met een hoge selectiviteit, waardoor het kan worden gebruikt voor de synthese van een grote verscheidenheid aan organische en anorganische stoffen. Dient als het beste sorptiemiddel voor waterstof.
Verspreid in de natuur
Het chemische element ruthenium wordt gekenmerkt door extremezeldzaam en verspreid in de natuur. In zijn natuurlijke omgeving vormt het het enige bekende mineraal, lauriet. Het is een vaste stof in de vorm van kleine ijzerzwarte octaëders. De rijkste en meest bekende afzetting bevindt zich op de platinaplacers van het eiland Borneo (Kalimantan). In Rusland zijn ontwikkelingen gaande in het Midden- en Zuid-Oeral, op het Kola-schiereiland, in de Krasnojarsk- en Khabarovsk-gebieden.
In alle andere natuurlijke verbindingen is de hoeveelheid ruthenium niet groter dan 0,1%. Er zijn sporen van metaal gevonden in sommige koper-nikkelertsen en zure stollingsgesteenten. Sommige planten hebben het vermogen om ruthenium te concentreren en te accumuleren, waaronder vertegenwoordigers van de peulvruchtenfamilie.
De totale inhoud van het element in de aardkorst is volgens deskundigen niet meer dan 5.000 ton.
Industriële productie
Het element ruthenium wordt als nobel beschouwd en de belangrijkste bron van het metaal is afvalgesteente van de platinaproductie. De onbetwiste leider in de winning van ruthenium (evenals platina) is de Republiek Zuid-Afrika. De ontwikkeling en productie van dit metaal wordt ook uitgevoerd door Rusland, Canada en Zimbabwe. Dit laatste land staat trouwens op de tweede plaats in de wereld wat betreft onderzochte voorraden platinoïden.
De hoeveelheid ruthenium die op de markt wordt geleverd, varieert van 17 tot 20 ton per jaar. De productiecyclus voor het verkrijgen van een element duurt ongeveer 6 weken en is een continue keten van thermochemische reacties die elkaar opvolgen.
Technologie voor het verkrijgenruthenium door neutronenbestraling van isotopen van radioactief technetium. Maar het moet worden opgemerkt dat de isolatie van een puur en stabiel metaal, vanwege zijn chemische eigenschappen, onvoorspelbaarheid en onvoldoende kennis, nog steeds een luchtkasteel blijft.
Toepassingen
Hoewel alle eigenschappen van het edelmetaal in ruthenium volledig aanwezig zijn, heeft het element geen brede verspreiding gekregen in de sieradenindustrie. Het wordt alleen gebruikt om legeringen te versterken en dure sieraden duurzamer te maken.
In termen van de hoeveelheid verbruikt ruthenium, zijn de industriële sectoren in de volgende volgorde:
- Elektronisch.
- Elektrochemisch.
- Chemisch.
Er is veel vraag naar de katalytische eigenschappen van het element. Het wordt gebruikt bij de synthese van blauwzuur en salpeterzuur, bij de productie van verzadigde koolwaterstoffen, glycerine en de polymerisatie van ethyleen. In de metallurgische industrie worden rutheniumadditieven gebruikt om de anticorrosie-eigenschappen te verbeteren, om legeringen sterker te maken en om chemische en mechanische weerstand te bieden. Radioactieve isotopen van ruthenium helpen wetenschappers vaak bij hun onderzoek.
Veel verbindingen van het element zijn ook gebruikt als goede oxidatiemiddelen en kleurstoffen. In het bijzonder worden chloriden gebruikt om de luminescentie te versterken.
Biologische betekenis
Ruthenium heeft het vermogen zich op te hopen in de cellen van levende weefsels, voornamelijk spieren (het enige metaal van de platinagroep). kan provocerenontwikkeling van allergische reacties, hebben een negatieve invloed op het slijmvlies van de ogen en de bovenste luchtwegen.
In de geneeskunde wordt het edelmetaal gebruikt om aangetaste weefsels te herkennen. Geneesmiddelen op basis daarvan worden gebruikt voor de behandeling van tuberculose en verschillende infecties die de menselijke huid aantasten. Om deze reden lijkt het veelbelovend om het vermogen van ruthenium om stabiele nitrosocomplexen te vormen te gebruiken in de strijd tegen ziekten die verband houden met een te hoge nitraatconcentratie in het menselijk lichaam (hypertensie, artritis, septische shock en epilepsie).
Wie is de schuldige?
Onlangs hebben West-Europese wetenschappers het publiek ernstig gestoord met de boodschap dat de inhoud van de radioactieve isotoop van ruthenium Ru106 over het continent groeit. Experts sluiten zijn zelfstudie volledig uit in de atmosfeer. Naast een accidentele lozing uit een kerncentrale, zouden sindsdien radionucliden van cesium en jodium noodzakelijkerwijs in de lucht aanwezig zijn, wat niet wordt bevestigd door experimentele gegevens. De impact van deze isotoop op het menselijk lichaam, zoals elk radioactief element, leidt tot bestraling van weefsels en organen, de ontwikkeling van kanker. Mogelijke bronnen van vervuiling bevinden zich volgens westerse media op het grondgebied van Rusland, Oekraïne of Kazachstan.
In reactie daarop zei een vertegenwoordiger van het ministerie van Communicatie van Rosatom dat alle ondernemingen van het staatsbedrijf werkten en gewoon werken. Het Internationaal Agentschap voor Atoomenergie (IAEA) is naar zijn mening, op basis van zijn eigen monitoringgegevens,noemde alle beschuldigingen tegen de Russische Federatie ongegrond.
