Рутений (Ru) — четвертый элемент с ферромагнитными свойствами при комнатной температуре

Как был открыт металл

Рутений попал в сферу интересов ученых к середине 19 века, когда на Урале началась платиновая лихорадка.

Однако история оказалась сложной:

• В 1827 году немецкий химик, профессор Дерптского университета Готфрид Озанн завершил цикл работ по «распаковке» уральской руды. Обнаружилось наличие трех неизвестных науке металлов, которые он назвал полин, полуран, рутений.
• Достижение не нашло отклика у коллег: большинство сочло это ошибкой. А полученное вещество – плохо очищенным платиноидом иридием.
• Повторить опыты Озанна взялся спустя 13 лет Карл Клаус – этнический немец, родившийся в России и ставший профессором Казанского университета. Ему ассистировал польский ученый Анджей Снядецкий.
• Спустя четыре года (1844) они представили около 6 граммов рутения. Так был открыт новый элемент и подтвердились результаты Озанна.
• Ученые исследовали физические, химические свойства, установили атомную массу, количество рутения – 1,1%.

Металл назван в честь страны, где впервые был обнаружен. Так предложил первооткрыватель Готфрид Озанн. Россия заняла место в таблице Менделеева.

Ruthenia – латинизированный вариант топонима Россия. Так государство именовалось Европой до 15 века.

По другой версии, первым изучал этот химический элемент все тот же Снядецкий еще в 1809 году. Он назвал новый элемент вестием – в честь астероида Веста, открытого двумя годами ранее.

Всю жизнь посвятил изучению металла советский ученый С.М.Старостин.

Физико-химические характеристики

Рутений наделен характеристиками, свойственными другим платиноидам: повышенная твердость (6,5 по Моосу), стойкость к химическим субстанциям, включая агрессивные.

Есть отличительные признаки:

• Эффективный сорбент водорода: рутениевый кубик с ребром в 1 см способен впитать 1500 см3 водорода. Это почти вдвое больше, чем у палладия (940 см3), признанного эталоном по данной характеристике.
• Интересны свойства четырехвалентной окиси рутения. Внешне это желтые с золотистостью иголки. Даже при комнатной температуре (25°С) истаивают до жидкости, источая запах озона. Без этого компонента невозможно отделение рутения от других металлов и максимальная очистка.

Металл хрупок, легко истрирается до порошка.

Металл в природе

По распространенности рутений едва ли не самый редкий из благородных металлов: его доля в земной коре – 1х2-6%. В 200 раз больше вещества содержат метеориты.

Общая масса разведанных запасов рутения оценивается в 5 тыс. тонн.

Минерал находят по следующим маркерам:

• Коренные залежи или россыпи платиноносных пород.
• Месторождения медно-никелевых руд.
• Залежи лаурита и рутенарсенида.

Лаурит и рутенарсенид – собственные минералы рутения. Первый темный, плотный, насыщен рутением. Оба чрезвычайно редки.

Где добывается

Рутений добывают там же, где платину или платиноиды:

• ЮАР;
• Зимбабве;
• Россия;
• Китай;
• США.

Главный поставщик сырья – Южно-Африканская Республика.

Ежегодный мировой показатель добычи рутения – 17-21 тонна.

Технологии получения

1. Рутений извлекают из платиновой либо никелево-медной руды. Причем делают это, когда сырье «очищено» от других ценных элементов. То есть основной источник металла – отходы, оставшиеся в результате очистки платины или металлов ее группы. Полный цикл (включая обогащение руды и термохимическое воздействие), занимает полтора месяца.
2. Второй источник – содержимое отработанных ТВЭЛов, отходы ядерного производства. Материалом служат уран, торий, плутоний. Тонна продукта радиоактивного распада содержит до 250 граммов рутения.
3. Третий – изотоп технеция, облученный потоком нейтронов.

Инцидент с рутением на Урале

Одной из причин повышения интереса общественности к действию на человека рутения-106 стал инцидент с участием этого изотопа на Урале. Поступающая противоречивая информация о дозе радиации и том, откуда она взялась, стала причиной паники и путаницы среди местного населения. Согласно заявлениям исследователей из Германии, облако рутения-106 прошлось по всей Европе, а концентрация была крайне высокой. Российские СМИ опровергают это утверждение, утверждая, что уровень радиации оставался в пределах установленных норм безопасности.

Первые признаки утечки были обнаружены в конце сентября — начале октября 2021 года. Согласно утверждениям некоторых, его источником стал по производству компонентов ядерного оружия, но его руководство отрицает это, аргументируя тем, что элементы, приводящие к выбросу рутения-106, в производстве не используются. Росгидромет подтвердил опасения немецких специалистов изначально, но потом почти сразу же отказался от своего заявления.

Исследования, запрошенные и проведённые различными организациями, также показали противоречивые результаты. Согласно некоторым из них, уровень содержания рутения-106 на исследуемой территории превышал обычное значение в сотни раз — если точнее, в 986 и 440 раз в посёлках Аргаяш и Нагорный Челябинский. Однако другие СМИ отметили, что такое повышение могло возникнуть в результате полного отсутствия рутения на исследуемых территориях в прошлые месяцы. Таким образом, возникновение небольшого, находящегося в пределах нормы количества этого элемента уже стало «возрастанием в сотни раз».

Правда о том, произошло ли облучение территории рутением-106, пока остаётся неясной, как и то, каково было его происхождение. Радиоактивные волны невидимы, беззвучны, не издают запах, а симптомы их воздействия могут проявиться через месяцы или годы после облучения — в этом одна из основных опасностей подобных катастроф. Заражённый воздух, вода, пища и бытовые предметы могут накапливать и передавать радиацию спустя месяцы после исчезновения её источника, потому при угрозе контакта с ними стоит соблюдать предельную осторожность.

Где используется

Благородный металл востребован как самодостаточный элемент и компонент сплавов.

Промышленность

Главный потребитель металла.

Его забирают следующие отрасли:

• Производство электроники.
• Электрохимия.
• Химическое производство.

Эти направления используют 90% сырья.

Химики ценят металл за инертность и свойства катализатора:

• Он наделен уникальным свойством избирательности в реакциях. За это востребован при синтезировании органических и неорганических веществ.
• В паре с ним каталитическая активность платины повышается.
• Рутениевые соединения используются как суперокислители, пигменты в составе стекла, эмалей.

Без рутения как элемента сплавов не обходятся передовые отрасли:

• Из них делают узлы, контакты приборов повышенной точности для нужд радио-, электро-, аэрокосмической техники, оборонного комплекса. Для этого достаточно 1,1-4,9% рутения в сплаве.
• 0,1% рутения, добавленная к титану, кратно повышает антикоррозионные свойства последнего.
• Рутениево-платиновый симбиоз – материал для изготовления топливных систем, систем по очистке воды на космических кораблях.
• Тугоплавкий металл добавляют в сплавы при изготовлении приборов, замеряющих сверхвысокие температуры.

Чистым рутением покрывают особо важные детали, чтобы сделать их устойчивее механически, химически.

Ювелирное дело

В ювелирных изделиях применение металла двояко: как укрепляющего компонента сплава и прочного покрытия.

Изделия из сплавов с рутениевой лигатурой надежны, прочны, что важно для украшений, испытывающих повышенные нагрузки (кольца, перстни, браслеты).

Покрытие рутением создает на поверхности изделия пленку в гамме оттенков от графита до черноты.

Вместе с родием они создают элитарное чёрное золото.

Защита от воздействия

Ответы на вопросы о том, чем опасен рутений-106 и какая от него защита существует — такие же, как и для любого другого радиоактивного изотопа. При его распаде образуется выброс бета-частиц и гамма-лучей, которые негативно влияют на организм человека. Лучший способ избежать их — не попадать в их радиус действия во время этого процесса.

Если взаимодействие с веществом уже произошло, необходимо немедленно покинуть заражённую зону. Радиация имеет свойство накапливаться, и чем дольше это происходит, тем сильнее негативное влияние на организм, потому длительное облучение особенно опасно. Выйдя из заражённой области, нужно избавиться от одежды и тщательно промыть всё тело слабым мыльным раствором несколько раз.

Окружающие объекты также могут стать защитой от излучения. Чтобы остановить бета-частицу, будет достаточно тонкого листа алюминия, а для гамма-волны понадобится толстая кирпичная стена.

Работникам, находящимся в зоне с повышенным загрязнением постоянно, защититься от вредного воздействия помогают специальные костюмы с деталями из свинца, вольфрама, тантала и других металлов с аналогичными свойствами. В комплекте с ними идут противогазы и специальные маски с очками. Существуют также особые средства и препараты, вводящиеся в организм перед взаимодействием с радиацией и нейтрализующие её вредное воздействие.

Определить уровень заражения можно с помощью специальных приборов, называемых дозиметрами. Его максимально допустимый уровень в местах производства — 4,4·10² Бк·м³/год, а в обычных населённых пунктах — 4,4 Бк·м³/год. Фоновая радиационная активность, которую человек получает каждый день из окружающей среды (и даже от элементов в собственном организме) практически неопасна и защититься от неё нельзя.

Чем интересен для ученых

Рутений околдовывал многие поколения ученых. Выяснилось, что некоторые его характеристики почти копируют платиноиды родий и осмий, другие – железо.

Но и через почти двести лет после открытия элемента вопросы остаются:

• Главное препятствие создает валентность. У рутения она восьми видов. Это не самое «страшное». Во время опытов валентность спонтанно, неожиданно меняется.
• Нестандартны каталитические возможности. Ручаться за исход процесса сложно: металл сам «решает», какому элементу помогать ускоряться, какому нет.

Поэтому не удается пока получить стойкий чистый металл.

Эти обстоятельства только раззадоривают ученых, особенно молодежь. Они намерены приручить своенравный металл. Особо привлекательные направления – полное и экономически оптимальное извлечение элемента из минералов, шлама, ядерных отходов.

Биологическое воздействие

Как и платина, нанодозы рутения присутствуют в тканях биологических организмов (у человека это мышцы).

Металл, его соединения биологически активны. Данное свойство используют дерматологи, онкологи, фтизиатры.

На особом счету неорганический краситель, известный как «рутениевый красный». Он контрастно выделяет ткани, другие биологические субстанции, исследуемые под микроскопом.

Однако есть опасные для человека соединения:

• Диоксид. Весьма ядовит, вызывает рвоту, приступы удушья. Провоцирует аллергию, язвы на слизистых оболочках.
• Четырехвалентная окись. Воздействия органики (например, спирта) или нагрева выше 100°С достаточно, чтобы прогремел взрыв.

Это нужно учитывать, если в семье есть поклонники домашних химических опытов. Такие субстанции хранят в специальных емкостях.

Влияние на организм человека

Последствия облучения рутением серьёзны и долгосрочны. Он воздействует не только на текущее здоровье населения, флору и фауну в области заражения, но и на генетический материал, передающийся следующим поколениям. В сравнении с цезием-137 и некоторыми другими изотопами, период полураспада Рутения-106 не так велик, но и этого времени достаточно для того, чтобы нанести огромный ущерб всей местности распыления.

Симптомы отравления проявляются постепенно и с задержкой, потому влияние рутения-106 на организм человека заметно не сразу. Его описание соответствует общему перечню признаков облучения бета- и гамма-частицами.

Сразу после контакта с элементом могут возникнуть такие симптомы:

• повышенная температура тела — от 37—38 °C и выше;
• пониженный показатель артериального давления;
• диарея и отсутствие аппетита;
• появление покраснений, высыпаний, мелких ранок и прочих признаков раздражения кожного покрова.

Дальнейшее развитие болезни зависит от характера облучения. Очень высокие единовременные дозы рутения-106 способны убить в течение 2—4 дней или даже часов, но чаще всего человек погибает за несколько месяцев из-за разрушения клеток костного мозга, кишечника, желудка, сосудов и прочих оралконов, приводящих к их дисфункции и прочим осложняем в виде сепсиса, рака крови и развития злокачественных опухолей. Все нарушения в этом процессе проявляются с задержкой, ситуация может выглядеть так, будто человеку становится лучше (так называемый синдром ходячего трупа), даже если он получил дозу, считающуюся абсолютно смертельной.

При длительном облучении более низкими, но всё ещё опасными дозами, рутений-106 и продукты его распада постепенно накапливаются в организме и проявляют себя с большой задержкой (иногда до полугода или более) в виде различных заболеваний. Ими могут стать:

• нарушения в работе жёлчного пузыря, печени и желчевыводящей системы;
• проблемы с потенцией у мужчин, нерегулярный и болезненный менструальный цикл у женщин;
• стоматит;
• усталость, сонливость, нарушения сна;
• спутанность сознания, резкие перепады настроения, эмоциональные срывы и неврозы;
• выпадения волос и зубов, ломкость ногтей;
• изменение состава крови: анемия, лейкемия, агранулоцитоз, нарушение сворачиваемости, приводящие к возникновению кровотечений из носа и дёсен в лёгких случаях и множественных кровоизлияний в тяжёлых;
• сердечно-сосудистые заболевания различного характера, развивающиеся на фоне тахикардии и стабильно низкого артериального давления;
• повреждение тканей костного мозга;
• развитие различных онкологических заболеваний;
• в случае тяжёлого прогрессирующего течения болезни — множественные некрозы, инфекции, сепсис и общая интоксикация организма, в итоге приводящие к смерти.

Обширность воздействия и постепенное проявление симптомов сильно затрудняют диагностику. При отсутствии должного вмешательства от специалистов, радиация медленно разрушает организм на всех уровнях.