10 занимательных фактов о рутении

В конце сентября 2017 года органы экологического контроля Германии и Франции забили тревогу: облако радиоактивного рутения-106 накрыло всю Европу. Опасности для населения не было, но обеспокоенность европейцев можно было понять: ведь в переводе с латыни этот элемент называется «российским». Происхождение загадочного выброса так и осталось тайной. Впрочем, чему удивляться, если речь идет о рутении. Мы полагаем, что неограниченному кругу читателей nix.ru будет любопытно познакомиться с подборкой занимательных фактов об этом металле. Ведь он встречается и в изделиях, которыми торгует НИКС. При подготовке этого материала использовались данные лекции д.х.н., профессора Московского технологического университета Т.М. Буслаевой, прочитанной в Центральном доме ученых 29 ноября 2017 года, и другие материалы.

1. 57-й элемент

Название рутений происходит от новолатинского наименования России – Ruthenia. Рутений – единственный из открытых в России химических элементов, который получен естественным путем, то есть извлечен из минерального сырья. Это сделал в 1844 году профессор Казанского университета Карл Карлович Клаус (1796 – 1864), прибалтийский немец, уроженец Дерпта (ныне Тарту). Открытие в 1819 году месторождения платины на Урале стало мировой сенсацией, так как ранее этот металл добывали в больших количествах лишь в Южной Америке. Россия разом стала платиновой сверхдержавой, а Санкт-Петербургский монетный двор в 1828 г. впервые в мире стал чеканить платиновую монету. Образцы уральской платиновой руды высылались для исследования ведущим ученым Европы, но выделить из нее новый химический элемент удалось Карлу Клаусу в Казани. Получение 6 г рутения из полпуда платиновых остатков (выработанной руды) явилось побочным результатом его работы над улучшением технологии аффинажа, то есть переработки платиновой руды. Рутений стал 57-м известным человечеству химическим элементом. В настоящее время открыто уже 118 элементов.

2. Портрет героя

Рутений – металл серебристого цвета. Атомный номер – 44. Атомная масса – 101,07 а.е. Обозначение – Ru. Обладает большой твердостью, но в недостаточно очищенном виде настолько хрупок, что его можно легко стереть в порошок. Получить устойчивый 100-процентный рутений в значительных количествах до сих пор никому не удалось из-за его высокой химической активности. По этой причине до сих пор не установлены такие его характеристики, как предел прочности при растяжении. Плотность рутения – 12,41 г/см³ (плотность железа – 7,87 г/см³). Это один из самых тугоплавких металлов. Температура плавления – 2334°С (у железа – 1812°С).

3. Трижды открытый

Любопытно, что в 1807 году поляк Анджей Снядецкий (в то время подданный Российской империи), исследуя платиновую руду из Южной Америки, заявил, что открыл новый элемент, который назвал вестием. Он объявил об этом в Санкт-Петербургской академии наук. Однако французский Институт науки завил, что такого металла не существует. И лишь позже выяснилось, что описанные поляком свойства вестия совпадают со свойствами рутения. Кстати, название рутений придумал не его первооткрыватель Клаус, а другой немецкий химик, работавший в Дерптском университете, – Готфрид Озанн. Получив в 1825 году 4 фунта платиновой руды для исследований, он объявил об открытии сразу трех новых элементов, которые назвал плуран, полин и рутен. Однако эти выводы опроверг общепризнанный главный химик Европы того времени, автор всем известных ныне кратких буквенных обозначений элементов швед Йенс Якоб Берцелиус. Интересно, что о своем открытии Клаус также почел долгом доложить Берцелиусу, который сначала усомнился в выводах малоизвестного коллеги. 22 крупных химика, включая самого Берцелиуса, исследовали платиновую руду и не нашли этого металла, а какой-то Клаус нашел? Швед написал, что присланный ему образец – это не новый элемент, а «проба нечистого иридия». Однако педантичный Клаус не сдался и привел новые доказательства, и Берцелиус в конце концов признал его правоту, написав: «Примите мои поздравления с превосходными открытиями и изящной их обработкой. Благодаря им Ваше имя будет неизгладимо начертано в истории химии». За сделанное открытие Российская Академия наук присудила Клаусу Демидовскую премию в размере 1000 рублей золотом.

4. Бедный родственник

Рутений – шестой элемент платиновой группы металлов, в которую, помимо него и самой платины, входят палладий, осмий, родий и иридий. При этом рутений, с одной стороны, самый легкий, то есть самый неблагородный из «родственников», а с другой – самый редкий из них. В природе известен единственный минерал, содержащий рутений, – это лаурит (RuS₂), очень твердое тяжелое вещество черного цвета, встречающееся крайне редко. В остальных породах содержание рутения не превышает десятых долей процента.

В год в мире добывается порядка 20 т рутения (для сравнения: платины добывается порядка 200 т в год). Разведанные запасы в природе – около 5000 т (платины – 80 000 т). В настоящее время рутений получают в основном как побочный продукт при аффинировании платины, а также как отходы, возникающие при делении ядерных материалов (плутоний, уран, торий). Содержание рутения в отработанных ТВЭЛах достигает 250 г на 1 т.

Несмотря на то, что рутений – самый редкий из платиновых металлов, он и самый дешевый из них, поскольку даже то небольшое количество, в котором его получают, превышает спрос на него. Золото почти в 30 раз дороже рутения, хотя в год его поступает на рынок более чем в 100 раз больше – около 2500 т. Впрочем, цена на рутений подвержена значительным колебаниям. К примеру, в 2016 году стоимость тройской унции рутения составляла 40 долларов, но в конце 2017 года начала стремительно расти и достигла 170 долларов, а в 2007 году и вовсе поднималась до 850 долларов. Для сравнения: цена на золото в конце 2017 года составляла 1280 долларов за тройскую унцию, а платина стоила 940 долларов.

5. Карты до добра довели

Карл Клаус был разносторонне одаренным человеком. От родителей-художников он унаследовал талант к рисованию. Клаус был известным в свое время ботаником-любителем, знатоком флоры заволжских и прикаспийских степей, в честь которого даже названо одно из растений. Именно в качестве ботаника и художника его приглашали в научные экспедиции по Южному Уралу.

Карл Клаус в раннем детстве осиротел и уже с 14 лет вынужден был работать помощником аптекаря. До 35 лет он вполне успешно занимался фармацевтическим бизнесом и в конце концов открыл собственную аптеку в Казани, которая считалась лучшей в городе. Успеху в обществе способствовало даже то, что он хорошо играл в карты. И вдруг, в 1831 году, будучи уже немолодым, обремененным семьей (три дочери) человеком, Клаус неожиданно продает свой аптечный бизнес и круто меняет судьбу. Он пишет: «Девять лет я держал аптеку и делал очень хорошие дела. Я мог бы стать очень богатым, однако мое стремление к образованию побудило меня оставить мое блестящее положение и принять место лаборанта в Дерптском университете».

В 1835 году, то есть 39 лет от роду, Клаус наконец получает высшее образование. Начав со скромной должности инспектора химического кабинета в Дерпте, он вскоре становится профессором Казанского университета, одного из крупнейших научных центров России, чьим ректором был Лобачевский, которому немец позже посвятил свою книгу «Химическое исследование уральской платиновой руды и металла рутения».

6. Активная позиция

В детективных фильмах часто показывают работу криминалистов, которые покрывают предметы неким таинственным порошком, визуализирующим отпечатки пальцев. Самым чувствительным из таких порошков, который дает возможность выявлять самые слабые отпечатки, является растертая в пудру смесь двуокиси и четырехокиси рутения. И это далеко не единственное проявление чрезвычайной химической активности этого вещества. К примеру, четырехокись рутения RuO₄ – это золотисто-желтые иглообразные кристаллы, которые тают при 25°С, превращаясь в коричнево-оранжевую жидкость с запахом озона. Это вещество ядовито и при соприкосновении с органикой взрывается.

Рутений уникален тем, что является самым многовалентным элементом. Он может состоять в девяти валентных состояниях. Рутений – первый элемент, который позволил связать азот воздуха в химическое соединение, как это делают некоторые бактерии. Высказано предположение, что в живой природе соединения рутения служат катализаторами в процессах связывания молекулярного азота воздуха в аминокислоты. Рутений очень активно поглощает водород: 1500 объемов водорода на единицу собственного объема. Рутений образует такое количество соединений, что его химию, по признанию самих ученых, до конца не знает никто.

7. Вкус к химии

Интересно, что научное любопытство Клауса простиралось настолько далеко, что он все полученные им вещества нюхал и пробовал на вкус, хотя среди его «блюд» были и такие опасные для здоровья соединения, как тетраоксид осмия, про который он написал, что тот имеет «вкус острый, перцеподобный». Даже крепость кислоты Клаус определял по ее вкусу. В результате ученый однажды получил сильный ожог полости рта, пробуя одно из соединений рутения.

Университетскую химическую лабораторию Клаус превратил в небольшой аффинажный завод. Открыть рутений можно было именно в процессе таких практических исследований. Клаус был, скорее, технологом, чем ученым-теоретиком. Как писали современники, он «соединял с основательными учеными сведениями редкую практическую ловкость при делании опытов». Для выделения рутения из руды требовалось провести около 100 операций, а чтобы накопить 6 г этого редкого вещества, нужны были тысячи опытов. Только такой химик с навыками фармацевта и мог справиться с кропотливой работой, в ходе которой ему приходилось давать отчет за каждый грамм руды.

Умер Клаус в 1864 году в Дерпте известным ученым, заведующим единственного в Российской империи Фармацевтического института. Его имя и сегодня почитается в Эстонии. На его могиле – огромный валун с выбитым символом Ru. 30 лет назад лаборатория Клауса в Казанском университете еще существовала, хотя и в плачевном состоянии, но сейчас ее уже нет. Однако ее оборудование и даже склянка с одним из первых препаратов рутения, полученных Клаусом, хранятся в Казани.

8. Рутений на службе человека

В 1965 году в СССР вышла научно-популярная книга «От водорода до…», в которой утверждалось, что рутений – никому не нужный элемент. Действительно, долгое время этот металл не находил какого-то заметного применения на практике, кроме использования в некоторых сплавах: небольшие добавки рутения увеличивают их коррозионную стойкость, прочность и твердость. К примеру, рутений входит в напайку на кончике «вечных» перьев. Добавка рутения к серебряно-палладиевым контактам придает им чрезвычайную износостойкость, что важно в скользящих контактах. Однако из-за хрупкости изготовить какие-либо изделия собственно из рутения до сих пор не удается. Но в 1962 году в Институте общей неорганической химии АН СССР была открыта металлическая проводимость диоксида рутения, и начался рутениевый бум: на основе диоксида рутения стали получать резистивные пасты, которые и ныне широко применяются в электронике для изготовления толстопленочных резисторов. Каталитические свойства рутения используются в различных промышленных процессах: к примеру, с помощью рутения можно получать глицерин из древесных опилок. В качестве катализатора рутений используется в системах очистки воды на орбитальных станциях. Потребление рутения с каждым годом растет.

9. Головная боль атомной промышленности

В природе рутения почти нет, а вот искусственным образом он синтезируется в больших количествах. При распаде плутония изотопы рутения составляют до 30% общей массы всех осколков деления. Можно сказать, что таким образом осуществилась мечта алхимиков – неблагородный металл превратился в благородный. Ежегодно реакторы нарабатывают десятки килограммов рутения, но процесс его извлечения обходится атомной промышленности намного дороже, чем можно выручить от продажи этого металла. Рутений для ядерной энергетики – чуть ли не главная головная боль. Ведь одно из существенных достоинств ядерного топлива – воспроизводимость. При сжигании урановых блоков образуется плутоний. Но перед тем, как его использовать, необходимо очистить его от «золы», включающей изотопы рутения. Основная масса осколков деления сепарируется достаточно легко на предприятиях по переработке ядерного топлива, но только не изотопы рутения. Избавиться от рутения трудно по той же причине, по которой невозможно выделить его в чистом виде. Этот металл вступает в бесчисленное количество реакций и образует огромное количество самых разных соединений. Какой бы из способов очистки не применялся, рутений все равно частично остается в топливе. Решить эту проблему до конца не удалось до сих пор.

10. Загадка рутения-106

Именно радиоизотопы рутения труднее всего удержать от побега из хранилищ ядерных отходов. Рутений обладает редким для металлов химическим свойством: он образует легколетучее соединение тетраоксид рутения, так что при нагревании ядерных отходов до относительно небольших температур фонить в воздухе первым начинает именно рутений. Не удивительно, что когда один из таких изотопов – рутений-106 – осенью 2017 года засветился от Красноярска до Парижа, то подозрение пало на комбинат по переработке ядерного топлива «Маяк» в Озерске на Южном Урале. Хорошо хоть, что опасности для населения эти выбросы не представляли, поскольку их концентрация хотя и превышала в тысячи раз естественный фон (который обычно близок к нулю из-за почти полного отсутствия рутения в природе), но была в сотни раз меньше предельно допустимых значений. Впрочем, специально созданная межведомственная комиссия не выявила каких-то аварийных выбросов на «Маяке». В результате комиссия пришла к выводу о космическом происхождении загрязнения. Поскольку с падением какого-то конкретного спутника это событие связать не удалось, то остается думать, что виноваты инопланетяне.

Холдинг НИКС – это сеть из более чем 100 магазинов цифровой техники по всей России; это инжиниринговый центр по проектированию высокотехнологичных производств «Проектмашприбор», на 75% принадлежащий компании НИКС и на 25% – Госкорпорации «Ростех»; это нанотехнологическая лаборатория, в стенах которой разработаны и изготовлены сканирующие туннельные микроскопы, проведены работы по квантованию проводимости молибдена, ведутся исследования по квантовым вычислениям; это агропромышленный комплекс «Тюринский» площадью 19 100 га в Тульской области, который по производительности труда сопоставим с немецкими фермерскими хозяйствами.