Ruten - Ruthenium

Ruten,  44 Ru
Ruten a pół bar.jpg
Ruten
Wymowa / R ù θ ı n Jestem ə m / ( roo- THEE -nee-əm )
Wygląd zewnętrzny srebrzystobiały metalik
Średnia masa atomowa R STD (Ru) 101.07(2)
Ruten w układzie okresowym
Fe

Ru

Os
technetrutenrod
Liczba atomowa ( Z ) 44
Grupa grupa 8
Okres okres 5
Blok   d-blok
Konfiguracja elektronów [ Kr ] 4d 7 5s 1
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 15, 1
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 2607  K (2334 ° C, 4233 ° F)
Temperatura wrzenia 4423 K ​(4150 °C, ​7502 °F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 12,45 g / cm 3
w stanie ciekłym (przy  mp ) 10,65 g/cm 3
Ciepło stapiania 38,59  kJ/mol
Ciepło parowania 619 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 24,06 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 2588 2811 3087 3424 3845 4388
Właściwości atomowe
Stany utleniania −4, −2, 0, +1, +2, +3 , +4 , +5, +6, +7, +8 (lekko kwaśny tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: 2,2
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 134  pm
Promień kowalencyjny 146±19:00
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe rutenu
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna sześciokątny gęstego upakowania (HCP)
Sześciokątna, ściśle upakowana struktura krystaliczna dla rutenu
Prędkość dźwięku cienki pręt 5970 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność termiczna 6,4 µm/(m⋅K) (przy 25 °C)
Przewodność cieplna 117 W/(m⋅K)
Rezystancja 71 nΩ⋅m (przy 0°C)
Zamawianie magnetyczne paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna +39 × 10 -6  cm 3 /mol (298 K)
Moduł Younga 447 GPa
Moduł ścinania 173 GPa
Moduł objętościowy 220 GPa
Współczynnik Poissona 0,30
Twardość Mohsa 6,5
Twardość Brinella 2160 MPa
Numer CAS 7440-18-8
Historia
Nazewnictwo po Rusi , XIX-wieczna łacińska nazwa Rosji
Odkrycie i pierwsza izolacja Karol Ernst Mikołaj (1844)
Główne izotopy rutenu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
96 Rui 5,54% stabilny
97 Ruż syn 2,9 dnia ε 97 Tc
γ
98 Ruż 1,87% stabilny
99 ru 12,76% stabilny
100 rupii 12,60% stabilny
101 Ru 17,06% stabilny
102 Ru 31,55% stabilny
103 Rui syn 39,26 dnia β 103 Rh
γ
104 Ruy 18,62% stabilny
106 ru syn 373,59 d β 106 Rh
Kategoria Kategoria: Ruten
| Bibliografia

Ruten to pierwiastek chemiczny o symbolu Ru i liczbie atomowej 44. Jest to rzadki metal przejściowy należący do grupy platynowców układu okresowego pierwiastków . Podobnie jak inne metale z grupy platynowców, ruten jest obojętny na większość innych chemikaliów. Urodzony w Rosji naukowiec bałtycko-niemieckiego pochodzenia Karl Ernst Claus odkrył pierwiastek w 1844 roku na Kazańskim Uniwersytecie Państwowym i nazwał ruten na cześć Rosji . Ruten zwykle występuje jako drobny składnik rud platyny ; roczna produkcja wzrosła z około 19 ton w 2009 r. do około 35,5 ton w 2017 r. Większość produkowanego rutenu jest wykorzystywana w odpornych na zużycie stykach elektrycznych i rezystorach grubowarstwowych. Niewielkie zastosowanie rutenu jest w stopach platyny i jako katalizator chemiczny . Nowym zastosowaniem rutenu jest warstwa wierzchnia dla fotomasek w ekstremalnym ultrafiolecie. Ruten generalnie znajduje się w rudach wraz z innymi metalami z grupy platynowców na Uralu oraz w Ameryce Północnej i Południowej . Niewielkie, ale ważne z handlowego punktu widzenia ilości znajdują się również w pentlandycie wydobytym z Sudbury w Ontario oraz w złożach piroksenitu w Afryce Południowej .

Charakterystyka

Właściwości fizyczne

Kryształy metalicznego rutenu wyrosły w fazie gazowej.

Ruten, wielowartościowy twardy biały metal, należy do grupy platynowców i należy do grupy 8 układu okresowego pierwiastków:

Z Element Liczba elektronów/powłokę
26 żelazo 2, 8, 14, 2
44 ruten 2, 8, 18, 15, 1
76 osm 2, 8, 18, 32, 14, 2
108 hasz 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2

Podczas gdy wszystkie inne pierwiastki z grupy 8 mają dwa elektrony w zewnętrznej powłoce, w rutenu najbardziej zewnętrzna powłoka ma tylko jeden elektron (końcowy elektron znajduje się w dolnej powłoce). Anomalię tę obserwuje się w sąsiednich metalach niobu (41), molibdenu (42) i rodu (45).

Właściwości chemiczne

Ruten ma cztery krystaliczne modyfikacje i nie matowieje w warunkach otoczenia; utlenia się po podgrzaniu do 800 °C (1070 K). Ruten rozpuszcza się w stopionych alkaliach dając ruteniany ( RuO2-
4
), nie jest atakowany przez kwasy (nawet woda królewska ), ale jest atakowany przez halogeny w wysokich temperaturach. Rzeczywiście, ruten jest najłatwiej atakowany przez czynniki utleniające. Niewielkie ilości rutenu mogą zwiększyć twardość platyny i palladu . Dodatek niewielkiej ilości rutenu znacznie zwiększa odporność tytanu na korozję . Metal można powlekać galwanicznie i przez rozkład termiczny. Wiadomo, że stop rutenowo- molibdenowy jest nadprzewodzący w temperaturach poniżej 10,6 K . Ruten jest jedynym metalem przejściowym 4d, który może przyjąć stan utlenienia grupy +8, a nawet wtedy jest tam mniej stabilny niż cięższy kongener osm: jest to pierwsza grupa od lewej strony tabeli, gdzie przejście w drugim i trzecim rzędzie metale wykazują znaczne różnice w zachowaniu chemicznym. Podobnie jak żelazo, ale w przeciwieństwie do osmu, ruten może tworzyć wodne kationy na niższych stopniach utlenienia +2 i +3.

Ruten jest pierwszym w trendzie spadkowym w zakresie temperatur topnienia i wrzenia oraz entalpii atomizacji w metalach przejściowych 4d po maksimum widocznym w molibdenu , ponieważ podpowłoka 4d jest wypełniona w ponad połowie, a elektrony w mniejszym stopniu przyczyniają się do wiązania metalicznego. ( Technet , poprzedni pierwiastek, ma wyjątkowo niską wartość, która odbiega od trendu ze względu na jego w połowie wypełnioną konfigurację [Kr]4d 5 5s 2 , choć nie jest tak daleko od trendu w serii 4d jak mangan w 3d szereg przejściowy.) W przeciwieństwie do lżejszego kongeneru żelaza, ruten jest paramagnetyczny w temperaturze pokojowej, ponieważ żelazo również znajduje się powyżej punktu Curie .

Potencjały redukcji w kwaśnym roztworze wodnym dla niektórych powszechnych jonów rutenu pokazano poniżej:

0,455 V Ru 2+ + 2e Ru
0,249 V Ru 3+ + e ↔ Ru 2+
1.120 V RuO 2 + 4H + + 2e ↔ Ru 2+ + 2H 2 O
1,563 V RuO2-
4
+ 8H + + 4e
↔ Ru 2+ + 4H 2 O
1,368 V RuO
4
+ 8H + + 5e
↔ Ru 2+ + 4H 2 O
1,387 V RuO 4 + 4H + + 4e ↔ RuO 2 + 2H 2 O

Izotopy

Naturalnie występujący ruten składa się z siedmiu stabilnych izotopów . Dodatkowo odkryto 34 izotopy promieniotwórcze . Spośród tych radioizotopów najbardziej stabilne są 106 Ru z okresem półtrwania 373,59 dnia, 103 Ru z okresem półtrwania 39,26 dnia i 97 Ru z okresem półtrwania 2,9 dnia.

Piętnaście innych radioizotopów scharakteryzowano o masach atomowych w zakresie od 89,93 u ( 90 Ru) do 114,928 u ( 115 Ru). Większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż pięć minut, z wyjątkiem 95 Ru (okres półtrwania: 1,643 godziny) i 105 Ru (okres półtrwania: 4,44 godziny).

Pierwotny tryb rozpadu przed najpowszechniejszym izotopem, 102 Ru, to wychwytywanie elektronów, a pierwotny tryb po emisji beta . Podstawowym produktem rozpadu przed 102 Ru jest technet, a głównym produktem rozpadu po nim jest rod .

106 Ru jest produktem rozszczepienia jądra uranu lub plutonu . Wysokie stężenia wykrytych atmosferycznych 106 Ru były związane z rzekomą niezgłoszoną awarią jądrową w Rosji w 2017 roku.

Występowanie

Jako 78. najliczniej występujący pierwiastek w skorupie ziemskiej , ruten jest stosunkowo rzadki i występuje w około 100  częściach na bilion . Pierwiastek ten znajduje się na ogół w rudach wraz z innymi metalami z grupy platynowców w Uralu oraz w Ameryce Północnej i Południowej. Niewielkie, ale ważne z handlowego punktu widzenia ilości znajdują się również w pentlandycie wydobytym z Sudbury , Ontario , Kanada oraz w złożach piroksenitu w Afryce Południowej . Rodzima forma rutenu jest bardzo rzadkim minerałem (Ir zastępuje w jego strukturze część Ru).

Produkcja

Każdego roku wydobywa się około 30 ton rutenu przy światowych rezerwach szacowanych na 5000 ton. Skład mieszanin wydobywanych metali z grupy platynowców (PGM) jest bardzo zróżnicowany w zależności od formacji geochemicznej. Na przykład, PGM wydobywane w RPA zawierają średnio 11% rutenu, podczas gdy PGM wydobywane w byłym ZSRR tylko 2% (1992). Ruten, osm i iryd są uważane za metale podrzędnej grupy platynowców.

Ruten, podobnie jak inne metale z grupy platynowców, jest pozyskiwany komercyjnie jako produkt uboczny przy przeróbce rud niklu , miedzi i platyny. Podczas elektrorafinacji miedzi i niklu metale szlachetne, takie jak srebro, złoto i metale z grupy platynowców wytrącają się jako szlam anodowy , surowiec do ekstrakcji. Metale są przekształcane w zjonizowane substancje rozpuszczone dowolną z kilku metod, w zależności od składu surowca. Jedną z reprezentatywnych metod jest fuzja z nadtlenkiem sodu, a następnie rozpuszczenie w wodzie królewskiej i rozpuszczenie w mieszaninie chloru z kwasem solnym . Osm , ruten, rod i iryd są nierozpuszczalne w wodzie królewskiej i łatwo wytrącają się, pozostawiając inne metale w roztworze. Rod oddziela się od pozostałości przez traktowanie stopionym wodorosiarczanem sodu. Nierozpuszczalną pozostałość zawierającą Ru, Os i Ir traktuje się tlenkiem sodu, w którym Ir jest nierozpuszczalny, z wytworzeniem rozpuszczonych soli Ru i Os. Po utlenieniu do lotnych tlenków RuO
4
jest oddzielony od OsO
4
przez wytrącenie (NH 4 ) 3 RuCl 6 chlorkiem amonu lub przez destylację lub ekstrakcję rozpuszczalnikami organicznymi lotnego tetratlenku osmu. Wodór jest używany do redukcji chlorku amonu rutenu, dając proszek. Produkt redukuje się z użyciem wodoru, w wyniku czego otrzymuje się metalu w postaci proszku lub gąbki metalu , które mogą być leczone z metalurgii proszków technik lub argonu - spawania łukowego .

Związki chemiczne

Utleniania stanowi zakresu rutenu od 0 do +8, a-2. Właściwości rutenu i osmu związki są często podobne. Najczęściej występują stany +2, +3 i +4. Najbardziej rozpowszechnionym prekursorem jest trójchlorek rutenu , czerwona substancja stała, która jest słabo zdefiniowana chemicznie, ale wszechstronna syntetycznie.

Tlenki i chalkogenki

Ruten może zostać utleniony do tlenku rutenu(IV) (RuO 2 , stopień utlenienia +4), który z kolei może zostać utleniony metanadjodanem sodu do lotnego żółtego tetraedrycznego czterotlenku rutenu RuO 4 , agresywnego, silnego środka utleniającego o strukturze i właściwościach analogicznych do tetratlenku osmu . RuO 4 jest najczęściej stosowany jako półprodukt do oczyszczania rutenu z rud i odpadów radioaktywnych.

Znane są również rutenian dipotasowy (K 2 RuO 4 , +6) i nadrutenian potasu (KRuO 4 , +7). W przeciwieństwie do tetratlenku osmu, tetratlenek rutenu jest mniej stabilny i jest wystarczająco silny jako środek utleniający do utleniania rozcieńczonego kwasu chlorowodorowego i rozpuszczalników organicznych, takich jak etanol w temperaturze pokojowej, i jest łatwo redukowany do rutenu ( RuO2-
4
) w wodnych roztworach alkalicznych; rozkłada się z wytworzeniem dwutlenku w temperaturze powyżej 100°C. W przeciwieństwie do żelaza, ale podobnie jak osm, ruten nie tworzy tlenków na niższych stopniach utlenienia +2 i +3. Ruten tworzy dichalcogenides , czyli półprzewodniki diamagnetyczne krystalizujące w strukturze pirytu . Siarczek rutenu (RuS 2 ) występuje naturalnie jako mineralny lauryt .

Podobnie jak żelazo, ruten nie tworzy łatwo oksoanionów i zamiast tego woli osiągnąć wysokie liczby koordynacyjne za pomocą jonów wodorotlenowych. Czterotlenek rutenu jest redukowany przez zimny rozcieńczony wodorotlenek potasu, tworząc czarny nadrutenian potasu, KRuO 4 , z rutenem na stopniu utlenienia +7. Nadrutenian potasu może być również wytwarzany przez utlenianie rutenianu potasu, K 2 RuO 4 , gazowym chlorem. Jon nadrutenianowy jest niestabilny i jest redukowany przez wodę do postaci rutenianu pomarańczowego. Rutenian potasu można zsyntetyzować w reakcji metalicznego rutenu ze stopionym wodorotlenkiem potasu i azotanem potasu .

Znane są również niektóre tlenki mieszane, takie jak M II Ru IV O 3 , Na 3 Ru V O 4 , Na
2
RuV
2
O
7
, oraz mII
2
LnIII
RuV
O
6
.

Halogenki i tlenohalogenki

Najbardziej znanym halogenkiem rutenu jest sześciofluorek , ciemnobrązowa substancja stała, która topi się w temperaturze 54 °C. Hydrolizuje gwałtownie w kontakcie z wodą i łatwo dysproporcjonuje, tworząc mieszaninę niższych fluorków rutenu, uwalniając gazowy fluor. Pentafluorek rutenu to tetrameryczna ciemnozielona substancja stała, która również łatwo ulega hydrolizie i ma temperaturę topnienia 86,5°C. Żółty tetrafluorek rutenu jest prawdopodobnie również polimeryczny i może być utworzony przez redukcję pentafluorku jodem . Spośród dwuskładnikowych związków rutenu te wysokie stopnie utlenienia znane są tylko w przypadku tlenków i fluorków.

Trichlorek rutenu jest dobrze znanym związkiem występującym w czarnej formie α i ciemnobrązowej formie β: trójwodzian jest czerwony. Spośród znanych trihalogenków trifluorek jest ciemnobrązowy i rozkłada się w temperaturze powyżej 650 °C, tribromek jest ciemnobrązowy i rozkłada się powyżej 400 °C, a trijodek jest czarny. Z dihalogenków difluorek nie jest znany, dichlorek jest brązowy, dibromek jest czarny, a dijodek jest niebieski. Jedynym znanym oksyhalogenek jest blady zielony rutenowy (VI) tlenofluorku, RuOF 4 .

Kompleksy koordynacyjne i metaloorganiczne

Chlorek tris(bipirydyno)rutenu(II).
Szkieletowa formuła katalizatora Grubbsa.
Katalizator Grubbsa , który otrzymał Nagrodę Nobla dla swojego wynalazcy, jest wykorzystywany w reakcjach metatezy alkenów .

Ruten tworzy różnorodne kompleksy koordynacyjne. Przykładami są liczne pochodne pentaammine [Ru (NH 3 ) 5 L] n + , które często występują zarówno Ru (II), a Ru (III). Pochodne bipirydyny i terpirydyny są liczne, najlepiej znanym jest luminescencyjny chlorek tris(bipirydyno)rutenu(II) .

Ruten tworzy szeroką gamę związków z wiązaniami węgiel-ruten. Do metatezy alkenów stosuje się katalizator Grubbsa . Rutenocen jest strukturalnie analogiczny do ferrocenu , ale wykazuje charakterystyczne właściwości redoks. Bezbarwny ciekły pentakarbonyl rutenu przekształca się przy braku ciśnienia CO w ciemnoczerwony stały dodekakarbonyl trirutenu . Trichlorku rutenu reaguje z tlenkiem węgla i otrzymać wiele pochodnych, w tym RuHCl (CO) (PPh 3 ) 3 , a Ru (CO) 2 (PPh 3 ) 3 ( Roper złożonym ). Ogrzewanie roztworów trichlorku rutenu w alkoholach o trifenylofosfiny daje tris (trifenylofosfino) ruten, dichlorek (RuCI 2 (PPh 3 ) 3 ), który przekształca się do wodorku złożonego chlorohydridotris (trifenylofosfino) ruten (II) (RuHCl (PPh 3 ) 3 ).

Historia

Chociaż naturalnie występujące stopy platyny zawierające wszystkie sześć metali z grupy platynowców były przez długi czas używane przez Amerykanów przedkolumbijskich i znane jako materiał dla europejskich chemików od połowy XVI wieku, dopiero w połowie XVIII wieku platyna została zidentyfikowana jako czysty pierwiastek. Ta naturalna platyna zawierająca pallad, rod, osm i iryd została odkryta w pierwszej dekadzie XIX wieku. Platyna w piaskach aluwialnych rzek rosyjskich dała dostęp do surowca do wykorzystania na talerze i medale oraz do bicia monet rubelowych , począwszy od 1828 roku. zrobiono je w Europie Wschodniej.

Możliwe, że polski chemik Jędrzej Śniadecki wyizolował pierwiastek 44 (który nazwał "vestium" po odkrytej niedługo wcześniej asteroidzie Vesta ) z południowoamerykańskich rud platyny w 1807 roku. W 1808 roku opublikował ogłoszenie o swoim odkryciu. Jego praca nigdy nie została potwierdzona , jednak później wycofał swoje twierdzenie o odkryciu.

Jöns Berzelius i Gottfried Osann prawie odkryli ruten w 1827 roku. Zbadali pozostałości po rozpuszczeniu surowej platyny z Uralu w wodzie królewskiej . Berzelius nie znalazł żadnych niezwykłych metali, ale Osann sądził, że znalazł trzy nowe metale, które nazwał pluranem, rutenem i polinium. Ta rozbieżność doprowadziła do długotrwałej kontrowersji między Berzeliusem i Osannem na temat składu pozostałości. Ponieważ Osann nie był w stanie powtórzyć swojej izolacji rutenu, ostatecznie zrezygnował ze swoich roszczeń. Nazwę „ruten” wybrał Osann, ponieważ analizowane próbki pochodziły z Uralu w Rosji. Sama nazwa pochodzi od łacińskiego słowa Ruthenia ; słowo to było wówczas używane jako łacińska nazwa Rosji.

W 1844 roku Karl Ernst Claus , rosyjski naukowiec bałtycko-niemieckiego pochodzenia, wykazał, że związki przygotowane przez Gottfrieda Osanna zawierały niewielkie ilości rutenu, który Claus odkrył w tym samym roku. Claus wyizolowanych ruten z pozostałości platynowych produkcji rubli, podczas gdy on pracował w Kazaniu University , Kazan , tak samo jak jego cięższy kongener osm zostały odkryte cztery dekady wcześniej. Claus wykazał, że tlenek rutenu zawierał nowy metal i uzyskał 6 gramów rutenu z części surowej platyny, która jest nierozpuszczalna w wodzie królewskiej . Wybierając nazwę dla nowego pierwiastka, Claus stwierdził: „Na cześć mojej Ojczyzny nazwałem nowe ciało rutenem. Miałem pełne prawo nazywać je tą nazwą, ponieważ pan Osann zrezygnował z rutenu, a słowo to jeszcze nie istnieje w chemii”. W ten sposób Claus zapoczątkował trend, który trwa do dziś - nazywanie elementu po kraju.

Aplikacje

W 2016 r. zużyto około 30,9 ton rutenu, z czego 13,8 w zastosowaniach elektrycznych, 7,7 w katalizie i 4,6 w elektrochemii.

Ze względu na utwardzanie stopów platyny i palladu ruten stosowany jest w stykach elektrycznych , gdzie cienka warstwa wystarcza do uzyskania pożądanej trwałości. Przy podobnych właściwościach i niższych kosztach niż rod, styki elektryczne są głównym zastosowaniem rutenu. Płytka rutenowa jest nakładana na styk elektryczny i metal podstawowy elektrody przez galwanizację lub napylanie .

Dwutlenek rutenu z rutenianami ołowiu i bizmutu są stosowane w grubowarstwowych rezystorach chipowych. Te dwie aplikacje elektroniczne odpowiadają za 50% zużycia rutenu.

Ruten rzadko jest stapiany z metalami spoza grupy platynowców, gdzie niewielkie ilości poprawiają niektóre właściwości. Dodatkowa odporność na korozję stopów tytanu doprowadziła do opracowania specjalnego stopu zawierającego 0,1% rutenu. Ruten jest również używany w niektórych zaawansowanych wysokotemperaturowych nadstopach monokryształowych , w zastosowaniach obejmujących turbiny w silnikach odrzutowych . Opisano kilka kompozycji nadstopów na bazie niklu, takich jak EPM-102 (z 3% Ru), TMS-162 (z 6% Ru), TMS-138 i TMS-174, przy czym dwa ostatnie zawierają 6% renu . Stalówki pióra wiecznego są często zakończone stopem rutenu. Od 1944 r. pióro wieczne Parker 51 było wyposażone w stalówkę „RU”, stalówkę z 14-karatowego złota z 96,2% rutenem i 3,8% irydem .

Ruten jest składnikiem anod z mieszanych tlenków metali (MMO) stosowanych do ochrony katodowej konstrukcji podziemnych i zanurzonych oraz do ogniw elektrolitycznych do takich procesów jak wytwarzanie chloru ze słonej wody. Fluorescencji niektórych kompleksów rutenu przerwano przez tlen, znajdując zastosowanie w optode czujników dla tlenu. Czerwień rutenowa , [(NH 3 ) 5 Ru-O-Ru(NH 3 ) 4 -O-Ru(NH 3 ) 5 ] 6+ , jest barwnikiem biologicznym stosowanym do barwienia cząsteczek polianionowych , takich jak pektyny i kwasy nukleinowe do mikroskopii świetlnej i mikroskopia elektronowa . Beta-rozkładających izotop 106 rutenu stosuje się w radioterapii guzów oka, głównie złośliwych czerniaków z uvea . Kompleksy rutenocentrowane są badane pod kątem możliwych właściwości przeciwnowotworowych. W porównaniu z kompleksami platyny, te z rutenu wykazują większą odporność na hydrolizę i bardziej selektywne działanie na nowotwory.

Czterotlenek rutenu odsłania ukryte odciski palców, reagując w kontakcie z olejami tłuszczowymi lub tłuszczami z zanieczyszczeniami łojowymi i wytwarzając brązowo-czarny pigment dwutlenku rutenu.

Nanorurki haloizytu interkalowane z katalitycznymi nanocząstkami rutenu.

Kataliza

Wiele związków zawierających ruten wykazuje użyteczne właściwości katalityczne. Katalizatory dogodnie dzieli się na te, które są rozpuszczalne w środowisku reakcji, katalizatory homogeniczne oraz te, które nie są, które są nazywane katalizatorami heterogenicznymi .

Wewnątrz haloizytu mogą powstawać nanocząstki rutenu . Ten obficie występujący minerał ma naturalnie strukturę walcowanych nanoarkuszy (nanorur), które mogą wspierać zarówno syntezę nanoklastrów Ru, jak i jej produkty do późniejszego wykorzystania w katalizie przemysłowej.

Kataliza homogeniczna

Roztwory zawierające trichlorek rutenu są wysoce aktywne w metatezie olefin . Takie katalizatory są wykorzystywane komercyjnie na przykład do produkcji polinorbornenu. Dobrze zdefiniowane kompleksy karbenu rutenu i alkilidenu wykazują porównywalną reaktywność i zapewniają mechanistyczny wgląd w procesy przemysłowe. Na przykład katalizatory Grubbsa są wykorzystywane do wytwarzania leków i zaawansowanych materiałów.

Reakcja polimeryzacji przez metatezę z otwarciem pierścienia katalizowana RuCl 3 dająca polinorbornen ..

Kompleksy rutenu są wysoce aktywnymi katalizatorami uwodorniania przeniesienia (czasami określanymi jako reakcje „pożyczania wodoru”). Sposób ten stosuje się do enancjoselektywnego uwodornienia z ketonów , aldehydów i imin . Ta reakcja wykorzystuje chiralne kompleksy rutenu wprowadzone przez Ryojiego Noyori . Na przykład, (cymen) Ru (S, S-T DPEN ) katalizuje uwodornienie z benzylu do ( R, R ) -hydro benzoina . W tej reakcji mrówczan i woda/alkohol służą jako źródło H 2 :

Synteza [RuCl( S , S- TsDPEN)(cymen)]-katalizowana ( R , R )-hydrobenzoina (wydajność 100%, ee >99%)

Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii przyznano w 2001 Ryōji Noyori na wkład do dziedziny asymetrycznego uwodornienia .

W 2012 roku Masaaki Kitano i współpracownicy, pracujący z organicznym katalizatorem rutenowym, zademonstrowali syntezę amoniaku przy użyciu stabilnego elektronu jako donora elektronów i odwracalnego magazynu wodoru. Okresowa produkcja amoniaku na małą skalę, do lokalnego użytku rolniczego, może być realnym substytutem przyłączenia do sieci elektrycznej jako pochłaniacza energii wytwarzanej przez turbiny wiatrowe w odizolowanych instalacjach wiejskich.

Kataliza heterogeniczna

Katalizatory kobaltowe promowane rutenem są stosowane w syntezie Fischera-Tropscha .

Nowe aplikacje

Niektóre kompleksy rutenu pochłaniają światło w całym spektrum widzialnym i są aktywnie badane pod kątem technologii energii słonecznej . Na przykład związki na bazie rutenu zostały wykorzystane do absorpcji światła w barwnikowych ogniwach słonecznych , obiecującym nowym, tanim systemie ogniw słonecznych .

Wiele tlenków rutenu wykazuje bardzo niezwykłe właściwości, takie jak zachowanie punktu krytycznego kwantowego , egzotyczne nadprzewodnictwo (w postaci rutenianu strontu ) i wysokotemperaturowy ferromagnetyzm .

Zastosowania cienkich warstw rutenu w mikroelektronice

Stosunkowo niedawno zasugerowano ruten jako materiał, który mógłby z powodzeniem zastąpić inne metale i krzemki w elementach mikroelektronicznych. Czterotlenek rutenu (RuO 4 ) jest wysoce lotny, podobnie jak trójtlenek rutenu (RuO 3 ). Utleniając ruten (na przykład plazmą tlenową) do lotnych tlenków, ruten można łatwo uformować. Właściwości zwykłych tlenków rutenu sprawiają, że ruten jest metalem kompatybilnym z technikami przetwarzania półprzewodników potrzebnych do produkcji mikroelektroniki.

Aby kontynuować miniaturyzację mikroelektroniki, w miarę zmiany wymiarów potrzebne są nowe materiały. Istnieją trzy główne zastosowania cienkich warstw rutenu w mikroelektronice. Pierwszym z nich jest użycie cienkich warstw rutenu jako elektrod po obu stronach pięciotlenku tantalu (Ta 2 O 5 ) lub tytanianu baru strontu ((Ba, Sr)TiO 3 , znanego również jako BST) w nowej generacji trójwymiarowych dynamicznych losowych dostęp do pamięci (DRAM). Cienkowarstwowe elektrody rutenowe mogą być również osadzone na wierzchu tytanianu cyrkonianowo-ołowiowego (Pb(Zr x Ti 1-x )O 3 , znanego również jako PZT) w innym rodzaju pamięci RAM , ferroelektrycznej pamięci o dostępie swobodnym (FRAM). Platyna była używana jako elektrody w pamięciach RAM w warunkach laboratoryjnych, ale jest trudna do wzorcowania. Ruten jest chemicznie podobny do platyny, zachowując funkcję pamięci RAM, ale łatwo kontrastuje z wzorami Pt. Drugi polega na wykorzystaniu cienkich warstw rutenu jako bramek metalowych w tranzystorach polowych typu p-domieszkowanych metal-tlenek-półprzewodnik (p-MOSFET). Podczas wymiany bramek krzemowych na bramki metalowe w tranzystorach MOSFET , kluczową właściwością metalu jest jego funkcja pracy . Funkcja pracy musi pasować do otaczających materiałów. W przypadku tranzystorów p-MOSFET funkcją pracy rutenu jest najlepsze dopasowanie właściwości materiałów do otaczających materiałów, takich jak HfO 2 , HfSiO x , HfNO x i HfSiNO x , w celu uzyskania pożądanych właściwości elektrycznych. Trzecie zastosowanie na dużą skalę dla folii rutenowych to połączenie promotora adhezji i galwanicznej warstwy zarodkowej pomiędzy TaN i Cu w procesie podwójnego damasceńskiego miedzi. Miedź może być bezpośrednio galwanizowana na ruten, w przeciwieństwie do azotku tantalu. Miedź również słabo przylega do TaN, ale dobrze do Ru. Osadzając warstwę rutenu na warstwie barierowej TaN, przyczepność miedzi uległaby poprawie, a osadzanie warstwy zarodkowej miedzi nie byłoby konieczne.

Istnieją również inne sugerowane zastosowania. W 1990 roku naukowcy IBM odkryli, że cienka warstwa atomów rutenu stworzyła silne antyrównoległe sprzężenie między sąsiednimi warstwami ferromagnetycznymi , silniejsze niż jakikolwiek inny niemagnetyczny element warstwy dystansowej. Taka warstwa rutenu została wykorzystana w pierwszym gigantycznym magnetorezystywnym elemencie odczytowym do dysków twardych . W 2001 r. IBM ogłosił wprowadzenie warstwy pierwiastka rutenu o grubości trzech atomów, nieformalnie nazywanego „pyłem wróżek”, co umożliwiłoby czterokrotne zwiększenie gęstości danych na obecnych dyskach twardych.

Efekty zdrowotne

Niewiele wiadomo na temat skutków zdrowotnych rutenu i stosunkowo rzadko spotyka się związki rutenu. Ruten metaliczny jest obojętny (nie reaguje chemicznie ). Niektóre związki, takie jak tlenek rutenu (RuO 4 ) są wysoce toksyczne i lotne.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Bibliografia

Zewnętrzne linki