روتانیوم: فلز روسی که نام خود را از روسیه می‌برد

در جدول تناوبی دی.ای. مندلئف عنصری با شماره اتمی 44 وجود دارد که نام بلندمرتبه‌ای دارد — روتانیوم. این نه تنها یک فلز از گروه پلاتین است، بلکه تنها عنصر شیمیایی است که به نام روسیه نامگذاری شده است (Ruthenia — نام لاتین روسیه). این عنصر در سال 1844 توسط پروفسور دانشگاه کازان کارل کارلویچ کلوس کشف شد و از آن زمان به تاریخ علم و فناوری پیوست. امروزه روتانیوم یکی از تیره‌ترین، سخت‌ترین و مقاوم‌ترین مواد در برابر خوردگی است که در الکترونیک، کاتالیز و حتی در صنعت فضایی غیرقابل جایگزین است.

چرا این عنصر نامیده شده است «روتانیوم»؟

نام این عنصر از کلمه لاتین Ruthenia می‌آید که به معنای «روسیه» یا «روس» است. کارل کلوس، کشف‌کننده روتانیوم، تأکید داشت که نامی را به نام میهن خود می‌دهد. این یک حرکت پاتریوتیستی از سوی یک فرد آلمانی‌تبار بود که زندگی خود را با روسیه پیوند داد و می‌خواست نام آن را در جدول تناوبی تثبیت کند.

چرا این شماره مرتبه دارد؟

شماره مرتبه عنصر در جدول مendelevi (44) توسط تعداد پروتون‌ها در هسته اتم آن تعیین می‌شود. این شماره به طور یکتا روتانیوم را به عنوان یک عنصر شیمیایی شناسایی می‌کند. در جدول تناوبی در گروه VIIIB قرار دارد، در دوره 5 و به گروه روتانیوم-رودیوم-پالادیوم — گروه فلزات، که به خواص شیمیایی نزدیک هستند. مندلئف پیش‌بینی کرد که این عنصر وجود دارد، اما سلول خالی برای آن در جدول تناوبی گذاشت، اما کشف فیزیکی آن قبل از اینکه شیمیدان بزرگ قانون خود را بیان کند، رخ داد.

تاریخ کشف: داروساز کازان

کارل کارلویچ کلوس در سال 1796 در درپت (امروزه تارتو) در خانواده‌ای از هنرمند به دنیا آمد. او در سن 14 سالگی پس از از دست دادن والدین خود، در یک داروخانه شروع به کار کرد و بدون داشتن تحصیلات دبیرستانی، توانست در امتحان داروساز پذیرفته شود. بعد از آن او داروخانه خود را در کازان تأسیس کرد، اما همیشه عشق به علم را در خود داشت. او در یک اکسپدیسیون گیاه‌شناسی در دشت‌های ولگو-اورال شرکت کرد و در سن 40 سالگی شروع به کار در دانشگاه کازان کرد، جایی که به سرعت رهبری آزمایشگاه شیمی را برعهده گرفت.

در سال 1841، به دستور وزارت مالی، کلوس به بررسی باقی‌مانده‌های رودخانه‌ای پلاتین در دفترچه‌های مسکو شروع کرد. وظیفه او یافتن روش‌های مؤثرتر برای استخراج پلاتین بود. در طول آزمایش‌های دقیق و خطرناک (اتم‌های روتانیوم بسیار سمی هستند) کلوس ترکیبی ناشناخته را کشف کرد.

در یکی از آزمایش‌ها، کارل کلوس که عادت داشت مواد به دست آمده را مزه چشید، با ترکیب روتانیوم دچار سوختگی شدید در دهان شد. خوشبختانه، این سوختگی او را از ادامه تحقیقات باز نداشت.

در سال 1844، او 6 گرم روتانیوم خالص را استخراج کرد، خواص شیمیایی آن را به دقت مطالعه کرد و جرم اتمی آن را تعیین کرد. اما جامعه علمی، به ویژه شیمیدان معتبر سوئدی ینس برزلیوس، کشف او را با شک و تردید پذیرفت. تنها پس از آنکه برزلیوس خود نتایج کلوس را بررسی کرد و صحت آنها را تأیید کرد، روتانیوم به عنوان عنصر جدید رسمی شناخته شد.

منحصر به فردی روتانیوم: ویژگی‌ها و خواص

روتانیوم یک فلز نقره‌ای براق با سختي و شکنندگی بسیار بالا است. این عنصر به طور فوق‌العاده تیره‌تر است: دمای جوش آن 2250 درجه سانتی‌گراد و دمای تبخیر آن حدود 4900 درجه سانتی‌گراد است. این یکی از چگال‌ترین عناصر (12,45 گرم/سانتی‌متر مکعب) است.

نامحصور بودن شیمیایی. روتانیوم کوچک به هیچ وجه در هوا اکسید نمی‌شود حتی اگر تا دمای 930 درجه سانتی‌گراد گرم شود و با اسیدهای قوی و بازها واکنش نمی‌دهد. این ویژگی او را به یک اشراف‌زاده بین فلزات تبدیل می‌کند.

اکسید حمله‌گر. ویژگی اصلی روتانیوم اکسید بالاترین آن RuO₄ است. این ماده طلایی-زردی جویده شده است که در دمای +25,5 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود و در دمای +27 درجه سانتی‌گراد جوش می‌آید. این ماده دارای خاصیت اکسیدکننده قوی‌ای است که می‌تواند مواد آلی مانند الکل را احتراق دهد.

فعالیت کاتالیزوری. روتانیوم یک کاتالیزور عالی برای واکنش‌های هیدریلاسیون و دегیدریلاسیون مواد آلی است.

کاربرد در صنعت و علم مدرن

ویژگی‌های منحصر به فرد روتانیوم او را در صنایع پیشرفته‌ترین غیرقابل جایگزین کرده است.

الکتروتکنیک و ابزارسازی. آلیاژ روتانیوم با پلاتین و پالادیوم برای ساخت تماس‌های مقاوم به خوردگی در ابزارهای اندازه‌گیری استفاده می‌شود. افزودن روتانیوم به تیتانیوم باعث افزایش مقاومت به خوردگی می‌شود که در صنعت مکانیک شیمیایی بسیار مورد نیاز است.

کاتالیزورها. روتانیوم یک جزء کلیدی از کاتالیزورها در صنعت شیمیایی است. در سال‌های اخیر ویژگی‌های او به عنوان یکی از مؤثرترین کاتالیزورها برای واکنش هیدریلاسیون — فرآیندی که برای تولید هیدروژن سبز و پردازش biomass مهم است — توجه بیشتری را به خود جلب کرده است.

صنعت فضایی. مقاومت بالای حرارتی و مقاومت به خوردگی روتانیوم او را در صنعت فضایی بسیار مورد نیاز کرده است. به عنوان مثال، آلیاژهای روتانیوم در سیستم‌های تصفیه آب در ایستگاه‌های فضایی استفاده می‌شوند.

سوپرپروکوندی. آلیاژهای روتانیوم با لانتان، سرو، اسکاندیناوی و یتریوم ویژگی‌های سوپرپروکوندی منحصر به فردی دارند.

جواهرات. روتانیوم اغلب برای پوشش الکترواستاتیک جواهرات از طلای سفید و پلاتین استفاده می‌شود. این پوشش به جواهرات خاصیت درخشندگی خاصی می‌دهد و از خوردگی محافظت می‌کند.

آینده و آینده عنصر

آینده روتانیوم مستقیماً با توسعه فناوری‌های انرژی سبز، فضایی و کاتالیز مرتبط است. با افزایش تقاضا برای اقتصاد هیدروژنی، روتانیوم همچنان یکی از مؤثرترین کاتالیزورها برای الکترولیز آب و هیدریلاسیون مواد آلی باقی می‌ماند. دانشمندان همچنین در حال بررسی کاربرد آن در تولید مواد جدید با مقاومت بالا، سوپرپروکوندورهای بالا دما و آلیاژهای جدید برای شرایط عملکرد فوق‌العاده هستند.