Аркадий Курамшин – Таблица Менделеева. Элементы уже близко (страница 28)

43. Технеций

В 1860–70 годы систематизировать химические элементы пытался (и весьма успешно) не только Менделеев. Так, в 1870 году немецкий химик Лотар Мейер опубликовал статью «Природа элементов как функция их атомного веса», в которой приводились рассуждения, практически аналогичные менделеевским. В 1882 году Лондонское Королевское общество присудило золотые медали Дэви совместно Менделееву и Мейеру с формулировкой «За открытие периодических соотношений атомных весов».

Позже, в ХХ веке, создателем Периодической системы среди мировой научной общественности стал считаться уже только Менделеев, а про Мейера как автора Периодической системы в наше время чаще вспоминают разве что в Германии. В чем причина? То, что и у Мейера, и у Менделеева начиналось как попытка простой систематизации, у Мейера систематизацией и закончилось, а Дмитрий Иванович смог разглядеть в системе фундаментальный закон, который и использовал для предсказаний свойств не открытых еще элементов. Наиболее исчерпывающие предсказания Менделеев дал для свойств четырёх к тому времени неизвестных элементов. О трёх из них – галлии, скандии и германии – уже было рассказано выше, а теперь пришла пора рассказать про предсказание, которому не так повезло (естественно – не по вине Дмитрия Ивановича). Четвёртый элемент, свойства которого в деталях предсказал Менделеев, был элемент №43, названный экамарганцем.

После открытия галлия, скандия и германия и превращения Периодической системы из средства систематизации в фундаментальный закон, поиски экамарганца начались с утроенной силой. В 1909 году профессор Токийского университета Масатака Огава, большой поклонник идей Менделеева, заявил, что, анализируя минералы торианит, реинит и молибденит, обнаружил элемент №43, который назвал «ниппонием» (nipponium, Np), однако открытие не было подтверждено. Как показали исследования 2004 года (Spectrochimica Acta Part B, 2004, 59, 1305–1310), «ниппоний» Огавы – это на самом деле открытый еще в 1871 году рений. В 1925 году немецкие химики Ида Ноддак и Отто Берг сообщили об обнаружении элемента №43 в уральской самородной платине, назвав его мазурием (masurium, Ма), и их открытие тоже не подтвердилось.

C развитием физики стало понятно, почему экамарганец не дается в руки химикам – оказалось, что этот элемент не должен иметь стабильных изотопов. В конце концов элемент №43 был обнаружен только в 1937 году, причём не химиками, а физиками. Первооткрывателями экамарганца считаются Карло Перрье и Эмилио Сегре из Университета Палермо, получившие его из молибденовой мишени, облучая на ускорителе-циклотроне ядрами дейтерия. В 1936 году Сегре посетил лабораторию Эрнста Лоуренса и принял участие в эксперименте по облучению молибдена. В начале 1937 года Лоуренс переслал Сегре образец молибденовой фольги. Сам Сегре больше разбирался в физике (в 1959-м он ещё успеет получить Нобелевскую премию по физике за открытие антипротона), однако вдвоем с минералогом Перрье он обнаружил в образце два радиоактивных изотопа элемента №43, который было предложено назвать технецием (Nature, 1937, 140: 193–194).

Название происходит от греческого слова «искусственный», оно подчёркивало то, что технеций был первым химическим элементом, полученным человеком. Однако, несмотря на название, следовые количества технеция все же содержатся в земной коре. Технеций – продукт самопроизвольного распада урана, и, хотя у этого элемента нет устойчивых изотопов, из каждого килограмма руды урана – урановой смолки, если сильно постараться, можно извлечь 0,2 нанограмма технеция, который, впрочем, быстро распадется сам. С развитием атомной энергетики содержание технеция в земной коре стало расти – элемент №43 содержится в отработанном ядерном топливе, и, по оценкам химиков и физиков, только на атомных электростанциях за последнюю половину столетия было «наработано» несколько тонн технеция.

Фраза «только на атомных электростанциях» неслучайна: один из изотопов технеция, нуклид ⁹⁹Тс, период полураспада которого составляет около 6 часов, получают специально. С помощью этого нуклида ежегодно проводится около 20 миллионов случаев сцинтилляционной медицинской диагностики. Нуклид ⁹⁹Тс распадается, испуская гамма-излучение. Врачи вводят в организм пациента образец, содержащий технеций (часто его предварительно успевают связать с определёнными органическими молекулами, которые смогут связаться со строго определёнными тканями или даже органоидами клетки), и с помощью детектора гамма-излучения следят за транспортом и накоплением технеция в организме пациента, чтобы определить, какие из его органов в порядке, а какие работают не должным образом. Малые количества технеция, нужные для такой диагностики, и его малый период полураспада приводит к тому, что организм пациента получает дозу излучения, сравнимую с эффектом ежегодного рентгенологического исследования лёгких (флюорографии).

44. Рутений

Замок и пряжки кожаного чехла, в котором хранится кубок Чемпионата мира по футболу 2018 года, проводившегося в России, сделаны из «самого русского» металла – рутения. Это не только единственный существующий в земной коре элемент, официально открытый в России, но и его название происходит от латинского Ruthenia – Русь, Россия.

Рутений был открыт в Казани, так что можно сказать, что для меня, коренного казанца, к тому же – казанского химика, этот металл ближе вдвойне. Однажды, десять лет назад, беседуя в твиттере, я даже не постеснялся указать редакции журнала Nature Chemistry, что они не правы, и они дважды извинились – за неправильную информацию в редакторской колонке про рутений и за стереотипы в подборе для неё иллюстраций. Колонку, размещённую в интернете, они даже исправили (наполовину) – указали, что источником для открытия рутения были уральские руды (в исходном варианте статьи речь шла про сибирские), но картинку матрёшки оставили.

Рутений был открыт профессором Казанского университета Карлом Клаусом в 1844 году. Клаус выделил рутений в виде металла из уральской платиновой руды и указал на сходство между тройками элементов рутений–родий–палладий и осмий–иридий–платина. Название «рутений» Клаус придумал не сам – в 1828 году работавший в России Готфрид Озанн предложил это название для своего открытия, который он по ошибке принял за новый элемент, Клаус, удостоверившись в том, что он действительно открыл новый элемент, дал ему название, предложенное Озанном. В 1844 году Клаус опубликовал о новом элементе большую статью «Химические исследования остатков уральской платиновой руды и металла рутения» в «Учёных записках Казанского университета», журнале, который издаётся до нашего времени.

Как и другие металлы троек рутений–родий–палладий и осмий–иридий–платина, рутений мало распространён. По содержанию в земной коре он находится на 74-м месте, ежегодно добывается около 12 тонн рутения, а мировые резервные запасы этого металла оцениваются в 5000 тонн. Чаще всего рутений извлекается из руд совместно с другими металлами платиновой группы, а вот его содержание в разных платиновых рудах различается – в рудах, извлекаемых в Южной Африке, содержится до 11% рутения, а вот в уральских рудах металлов платиновых групп рутения только 2%.

Футбольный кубок, как и ювелирная продукция, для рутения – только хобби. Большую часть времени рутений проводит в химических лабораториях и предприятиях в области тонкого химического синтеза. С 1960-х годов начались ставшие успешными систематические попытки заставить металлы платиновой группы катализировать превращения органических и неорганических веществ. В начале в эффективности вперёд вырвались платина с палладием, которые показали себя успешными в ускорении химических реакций, будучи просто металлами, благодаря чему значительные количества этих металлов стали востребованы нефтехимическими комплексами, в которых эти металлы ускоряют процессы химической переработки нефти, и автопроизводителями – платиновый катализатор очистки выхлопных газов способствует доокислению угарного газа СО в менее опасный углекислый СО₂. Металлический рутений не мог похвастаться столь высокой эффективностью, и поэтому объектом исследования стали его соединения. Результатами этих исследований навскидку можно назвать пару Нобелевских премий. В 2001 году Нобелевским лауреатом стал Рёдзи Ноёри, получивший её за «…за их работу над хиральными катализаторами реакций присоединения водорода…». Катализаторы Ноёри (комплексы рутения с оптически активными β-аминоспиртами и производными 1,2-диаминов) применяются в процессах получения практически чистого (1R,2S,5R)-ментола и исходных веществ для синтеза полиамидных волокон. Комплексы Граббса, которые применяются в получении непредельных органических соединений с помощью реакций метатезиса (за исследования в области метатезиса Нобелевская премия по химии была присуждена в 2005 году), тоже представляют собой производные рутения.

Металлический рутений не зарекомендовал себя как катализатор, но как металл тоже работает – твёрдость «российского элемента» позволяет использовать его в сплавах с другими металлами платиновой группы, из которых делают износоустойчивые электрические контакты. Около половины производимого рутения используется в другой области электротехники – из диоксида рутения и рутенатов висмута производят детали для тонкоплёночных резисторов – элементов сопротивления в электросхемах. Если вы ещё не растеряли навык письма перьевой ручкой, есть шанс, что вы обладатель небольшого количества рутения. Золочёное перо выпускающихся с 1944 года ручек серии Parker 51 с маркировкой «RU» на 96,2% состоит из рутения, на 3,8% – из иридия.