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釕

（化學元素）

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釕（Ruthenium）是一種硬而脆呈淺灰色的多價稀有金屬，元素符號為Ru，原子序數為44，位於第五週期的VIII族，屬於d區金屬。釕是鉑族金屬中的一員，在地殼中含量僅為十億分之一，是最稀有的金屬之一。釕金屬晶體構型為六方晶系，熔點為2334℃，沸點為4150℃，常温下密度為12.45g/cm3，原子半徑為133pm，第一電離能為710.2kJ·mol-1 [5]  。性質很穩定，耐腐蝕性很強，常温即能耐鹽酸、硫酸、硝酸以及王水的腐蝕。釕是鉑族金屬中最便宜的一種金屬，儘管鉑、鈀等其他金屬都比釕豐富一些。釕被廣泛應用於電子信息、醫藥、電化學等領域，同時，釕及其配合物具有良好的催化活性，可以在多類化學反應中作催化劑。
釕屬於貴金屬，和其他貴金屬具有相似的物理化學性質，是重要的地球化學和環境化學元素。 [11] 
中文名
釕
外文名
Ruthenium
化學式
Ru
分子量
101.07
CAS登錄號
7440-18-8 [12] 
EINECS登錄號
231-127-1 [12] 
熔    點
2334 ℃
沸    點
4150 ℃ [6] 
水溶性
不溶於水
密    度
12.45 g/cm³
外    觀
銀白色金屬
應    用
催化劑
原子序數
44 [16] 
電子排布
[Kr]4d75s1 [16] 

目錄

  1. 1 研究簡史
  2. 2 理化性質
  3. ▪ 物理性質
  1. ▪ 化學性質
  2. 3 製備方法
  3. 4 應用領域
  1. 5 分佈情況
  2. 6 安全風險

釕研究簡史

釕塊 釕塊
釕的發現過程 [1]  ：釕是鉑系元素中在地殼中含量最少的一個，也是鉑系元素中最後被發現的一個。它在鉑被發現100多年後，比其餘鉑系元素晚40年才被發現。不過，它的名字早在1828年就被提出來了。當時俄國人在烏拉爾發現了鉑的礦藏，塔爾圖大學化學教授奧桑首先研究了它，認為其中除了鉑外，還有三個新元素。奧桑把他分離出的新元素樣品寄給了貝齊裏烏斯，貝齊裏烏斯認為其中只有pluranium一個是新金屬元素，其餘的分別是硅石和鈦、鋯以及銥的氧化物的混合物。
1844年，喀山大學化學教授克勞斯重新研究了奧桑的分析工作，肯定了鉑礦在殘渣中確實有一種新金屬存在，就用奧桑為紀念他的祖國俄羅斯而命名它為ruthenium，元素符號定為Ru。中文譯成釕。 [2] 
克勞斯取得新金屬釕後，也將樣品寄給貝齊裏烏斯，請求指教。貝齊裏烏斯認為它是不純的銥。可是克勞斯和奧桑不同，沒有理睬貝齊裏烏斯的意見，敢於向權威挑戰，繼續進行自己的研究，並且將每次製得的樣品連同詳細的説明逐一寄給貝齊裏烏斯。最後事實迫使貝齊裏烏斯在1845年發表文章，承認釕是一個新元素。在俄羅斯，由科學院的幾位院士們組成一個專門委員會，審查克勞斯得到的結果，確認了他的發現。
1968年，日本科學家Ryoji Noyori發現手性釕催化劑可以立體選擇性地催化氫化一類不飽和羧酸，並因此獲得2001年諾貝爾化學獎 [7]  。1992年，美國科學家Robert H. Grubbs發現一類釕金屬催化劑可以催化烯烴複分解反應，並因此獲得了2005年諾貝爾化學獎 [8]  。

釕理化性質

釕物理性質

釕為銀白色金屬，密度12.3g/cm3，熔點為2310℃，沸點2900℃。釕質脆堅硬，不易機械加工，耐磨性強。 [13]  釕是硬度很大的金屬，它有4種晶型。 [17] 
金屬釕 金屬釕

釕化學性質

釕的外圍電子構型為4d75s1，釕有10種價態，這是釕的突出特點，其氧化態有-2、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6、+7、+8。高價釕沒有高價鋨穩定。Ru(Ⅷ)僅有一個化合物RuO4，而Os(Ⅷ)的化合物較多。 [17]  化學性質很穩定。在室温下，與乾燥空氣和潮濕空氣均不起反應。無氧氣存在時，不溶於酸和王水。能與熔融的強鹼、過氧化鈉、碳酸鹽、氰化物等發生反應。釕與過氧化鈉共熔，生成釕酸鈉Na2RuO4。如果在Na2RuO4水溶液中通入氯氣，同時加熱，則有四氧化釕RuO4揮發出來。 [17]  室温下，氯水、溴水、碘酒能輕微腐蝕釕。加熱時，釕可與氟、氯、溴化合。釕有形成鉻合物的趨勢，還有良好的催化性能。 [13] 
  • 釕與空氣的反應
空氣基本不會氧化釕，在氧氣中加熱釕，會生成二氧化釕（RuO2）。 [15] 
第二和第三過渡系相應元素的化學性質一般會比較接近。但在這一列元素中，在週期表中緊靠在釕下面的鋨會在空氣中燃燒，並生成四氧化鋨（OsO4）。 [15] 
  • 釕與鹵素單質的反應
釕可以與過量的氟氣發生反應，生成六氟化釕。 [15] 
在氯氣和一氧化碳中，把金屬釕加熱到330℃時，會生成深棕色的氯化釕（Ⅲ）（RuCl3）。在氯氣中繼續加熱，會得到黑色的氯化釕（Ⅲ）。 [15] 

釕製備方法

釕衍生自鉑金屬礦石。生產方法取決於礦石類型。但是，萃取過程與其他貴金屬（參見鉑，銠和銥）相似。像銠一樣，釕可以從某些類型的礦石電解精煉鎳或銅時，從累積的陽極污泥中獲得。釕元素存在於銥的天然合金（銥，亞硫酸鹽）中，硫化物和其他礦石（戊鐵礦，月桂石等）中也有少量商業上可回收的 [9]  ：
1.通過與王水處理（分離不溶的銠，釕和銥），與硫酸氫鈉（與銠起反應）融合以及與過氧化鈉融合（與硅酸鈉溶解）的順序將元素與其他鉑金屬分離。用乙醇處理所得的釕酸和滲透酸溶液，以沉澱出二氧化釕 [9]  。
通過用鹽酸和氯處理純化二氧化釕，並用氫氣將其還原成純金屬。從耗盡的催化轉化器或以類似的方式從鉑和鎳礦石加工過程中產生的廢物中回收釕 [9]  。
2.由鋨銥礦等冶煉中分出四氧化釕或二氯氧化釕，再以氫還原可得粉狀釕。 [12] 
釕是在製取鉑過程中的副產品，先從含鉑的亮鋨銥礦中分離出二氧化釕RuO₂後，在氫氣流中加熱還原，製得金屬釕。釕可用於制耐磨合金，還可作氫化、氧化、異構化、重整的催化劑。 [13] 

釕應用領域

1、銠釕合金：以銠為基含釕的二元合金。釕在銠中的最大溶解度＞20%，RhRu10合金的鑄態維氏硬度為1344。銠釕合金用高頻感應加熱爐氬氣保護熔鍊，鑄錠經熱軋和少量的冷加工成材，常用做催化劑。
2、釕系電阻漿料：電導電材料（二氧化釕、釕酸鉍、釕酸鉛等）玻璃粘結劑、有機載體等組成的使用最廣泛的一種電阻漿料，具有阻值範圍寬、電阻温度係數低、阻值重現性好、環境穩定的性好等優點，用於製作高性能電阻和高可靠精密電阻網絡 [1]  。
3、超細水合二氧化釕粉：有於生產厚膜電阻漿料或催化劑用的黑色或藍黑色超細粉未，其中釕的質量分數為60%～71%。粉未的平均粒度＜1.0um，松裝密度為0.5～0.9g/cm3，振實密度為1.0～1.4g/cm-3。
4、釕基厚膜電阻漿料：由二氧化釕粉、釕酸鹽、無機添加物和有機載體組成的一種滿足於印製或塗敷的膏狀物，用於厚膜混合集成電路、電阻網絡。釕電阻漿料的燒成條件為燒成峯值温度840～860℃，峯值温度保温時間8～10min，燒結週期30～60min。 [3] 
5、釕是很好的催化劑：用於氫化、異構化、氧化和重整反應中。純金屬釕用途很少。它是鉑和鈀的有效硬化劑。用它製造電接觸合金，以及硬磨硬質合金等。2016年，諾貝爾化學獎獲得者、南加利福尼亞大學化學系教授喬治·歐拉率領團隊，首次採用基於金屬釕的催化劑，將從空氣中捕獲的二氧化碳直接轉化為甲醇燃料，轉化率高達79%。 [4] 
6、生產非腐蝕性鋼的合金，以及作為珠寶金屬（如鉑，鈀和金）的添加劑，使其更加耐用。它也被用作合金，用於使醫療器械的電觸點更硬，磨損更長，最近還用作將太陽能電池材料直接轉化為電能的實驗金屬。釕用作影響化學反應速度的催化劑，但不會被化學過程改變。它也被用作治療眼疾的藥物。用作珠寶中鉑的替代品；用於筆尖;作為電接觸合金，電絲中的硬化劑；陶瓷色長鏈烴合成中的催化劑 [9]  。

釕分佈情況

釕在地殼中的含量為1x10-7%，是鉑系中最稀有的金屬。在自然界中分佈極為分散，常與鉑系其它元素共存於礦石中，例如原鉑礦、鎳黃鐵礦、硫化鎳銅礦等。亮鋨銥礦中釕的含量較多，也存在於鋨和銥的自然合金中。 [13] 
釕在地殼中的平均含量為0.001g/t，沒有單獨的礦牀，在鉑族金屬提取富集過程中副產回收。全世界年產量約10噸多，主要由南非（約佔78%）和俄羅斯（約20%）提供。 [14] 

釕安全風險

  • 危害性
主要危險是釕細粉或粉塵的爆炸性。當金屬在室温下暴露於氧化劑類型的化學物質（如氯化鉀）時，金屬會迅速氧化（爆炸）。它的少數幾種化合物中大多數都具有毒性，應避免煙霧 [9]  。
  • 安全措施
如果不小心吸入釕金屬粉末，請立即將患者轉移至新鮮空氣處；
若皮膚接觸到釕金屬，請立即脱去污染的衣着，並用肥皂水和清水徹底清洗，若接觸部分仍有不適感，請立即前往醫院就醫；
若眼睛中不小心進入了釕金屬，請立即分開眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，沖洗結束後立即前往醫院就醫；
若不小心誤食釕金屬，請立即漱口並禁止催吐，漱口結束後立即前往醫院就醫；
當由釕金屬引發的火災時，可以使用水霧、乾粉、泡沫或二氧化碳滅火劑滅火，但避免使用直流水滅火，直流水可能導致可燃性液體的飛濺，使火勢擴散 [10]  。
參考資料
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