2 Строение рутения

В периодической системе Д. И. Менделеева рутений имеет по­рядковый номер 44 и характеризуется атомной массой, рав­ной 107,07 .

Рутений состоит из следующих стабильных изотопов: Ru⁹⁶, Ru⁹⁸, Ru¹⁰⁰, Ru¹⁰¹, Ru¹⁰², Ru¹⁰⁴

На основании результатов исследования рентгеновских эмис­сионных спектров рутения и теоретических расчетов установлено следующее распределение электронов в электронных оболочках атома рутения

Рисунок 1 - Распределение электронов в электронных оболочках атома рутения

Подобная структура электронных оболочек позволила отнести рутений, равно как и другие металлы платиновой группы, к пере­ходным элементам.

2.1 Поверхность Ферми Рутения

Наиболее полную информацию о свойствах Металла можно по­лучить с помощью представления о поверхности Ферми, о ее фор­ме, площади, плотности состояний. Форма и топологические осо­бенности поверхности Ферми определяются взаимодействием электронных волн с атомными плоскостями кристалла и числом валентных электронов.

Экспериментальное построение поверх­ности Ферми основано на изучении ряда физических свойств ме­талла.

Поверхность Ферми рутения состоит из шести л истов. Сечения которых плоскостями симметрии зоны Бриллюэна показа­ны на рис. 1, а. На рис. 1, б, в представлена объемная модель поверхности Ферми. Видно, что имеются три замкнутые дырочные поверхности эллипсоидальной формы центрированные в точках L, V и Г (лист ) зоны Бриллюэна, и две замкнутые электронные поверхности с центром в Г (Г₂ и Г₃). Кроме замкнутых поверх­ностей имеется открытая (многосвязная) дырочная поверхность, представляющая собой совокупность дырочных полостей, центри­рованных в точке М и соединенных друг с другом «шейками» через К и L.

Рисунок 2 – Модель поверхности ферми рутения

Дырочные эллипсоиды, центрированные в точке L лежат внутри шеек и касаются их поверхности в направлении А зоны Бриллюэна.

Число дырок внутри замкнутых дырочных лис­тов L, V, Г и дырок, ограниченных открытой многосвязной поверх­ностью в пределах одной зоны Бриллюэна, равно числу электро­нов внутри замкнутых электронных листов Г₂ и Г₃.

Результаты измерений магнитосопротивления и эффекта Холла монокристалла Ru хорошо согласуются с предложенной моделью поверхности Ферми.

2.2 Кристалическая структура рутения

Рутений обладает гексагональной плотноупакованной решет­кой типа Mg (A3). Координационное число К=12. Пространст­венная группа - дигексагональная, бипирамидальная, эле­ментарная ячейка содержит два атома. Данные измерений по­стоянных пространственной решетки а и с приведены в таблице 3

Таблица 3 - Данные измерений по­стоянных пространственной решетки

а,	с,	с/а	t,˚C
2,7058	4,2819	-	27
2,706	4,2837	-	-
2,7058±0,0001	4,281	1,63204±0,00002	21,8
2,7015	4,276	1,5828	-
2,670	4,273	-	До 1600
2,7004	4,273	-	25
2,6987±0,0005	-	1,5833±0,0005	18
2,6986	-	1,5834	18
2,7056	-	1,582	20

Сопоставление полученных данных с идеальной гексагональной плотной упаковкой, где отношение с/а = 1,633, показывает, что решетка рутения несколько сжата в одном направлении.

При повышении температуры постоянные решетки увеличи­ваются. Исследование этой зависимости проведено в интервале температур 20-600°С. Для начальной и конечной температур ис­следованной области получены следующие значения:

Таблица 4 - Начальная и конечная температура

	20˚C	600˚C
a
c		4,2985

Температурная зависимость периодов решетки рутения в интер­вале от 0 до 2200°С приведена в работе. В работе пред­ставлены данные об изменении периодов решетки рутения при изменении давления; температура эксперимента 25°С

Таблица 5 – Изменение периодов решетки при изменении давления

, бар	0	50	100	150	200	250	300	350	400
V/	1000	0,985	0,985	0,956	0,943	0,931	0,919	0,909	0,901
c	4,275	4,235	4,236	4,215	4,195	4,177	4,163	4,152	4,144
a	2,700	2,688	2,677	2,652	2,652	2,640	2,628	2,618	2,608
c/a	1,584	1,584	1,582	1,582	1,582	1,582	1,584	1,586	1,589

При электронографическом исследовании рутения, осажденно­го восстановлением из раствора, на коллодиевой мембране обна­ружена новая кубическая модификация металла. Она имеет гранецентрированную решетку с периодом а, равным 3,82 .

Энергия решетки рутения , составляющая 1184 ккал/моль , была высчитана по уравнению

-U=IV+S (1)

где: I - ионизационный потенциал = 1;

V — металлическая валент­ность;

S—теплота сублимации.

Энергия активации самодиффузии в кристалле была рассчита­на по уравнению

E=3,15· (2)

где: - температура плавления;

а - плотность упаковки, со­ставляющая 73%;

E=108 ккал/моль.