最終更新：2025年12月16日

ルテニウム (44)：先端技術の貴金属

ルテニウムの発見の歴史

ルテニウムは、カザン大学の教授であったロシアの化学者カール・エルンスト・クラウス（1796-1864）によって1844年に発見されました。その発見の歴史は、ウラル山脈産のプラチナ鉱石をめぐる、複数の化学者による先行研究と深く結びついています。 1828年、ロシアの化学者ゴットフリート・ヴィルヘルム・オザン（1796-1866）は、この鉱石中に複数の新元素の存在をすでに示唆しており、それらをプララニウム (pluranium)、ルテニウム (ruthenium)、ポリニウム (polinium)と名付けていました。しかし、彼の研究は決定的な証拠に欠けていました。

クラウスは、王水に溶かした粗プラチナの不溶性残渣を系統的に分析し、新しい金属を単離することに成功しました。この金属は、中世ロシアのラテン語名Rutheniaにちなんでルテニウムと名付けられました。クラウスは1844年に詳細な結果を発表し、ルテニウムの性質とプラチナグループの4番目のメンバーとしての位置を明確にしました。

ルテニウムは、プラチナ（南米の古代から知られている）、パラジウム（1803年）、ロジウム（1803年）、オスミウム（1803年）、イリジウム（1803年）に続いて、プラチナグループの6つの金属の中で最後に発見されました。これらの6つの金属（Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt）は類似した化学的性質を持ち、常に天然の鉱石中で共存しています。

構造と基本的な性質

ルテニウム（記号Ru、原子番号44）は、周期表の8族に属する遷移金属であり、プラチナグループの一員です。その原子は44個の陽子、通常58個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{102}\mathrm{Ru}\)）、および44個の電子を持ち、電子配置は[Kr] 4d⁷ 5s¹です。

ルテニウムは、明るい銀白色の硬くてもろい金属です。密度は12.37 g/cm³で、比較的重い金属ですが、プラチナグループの中で最も軽い金属です。ルテニウムは室温で六方最密充填（hcp）構造をとります。モース硬度6.5は、プラチナグループの中で最も硬く、石英と同等です。

ルテニウムの融点は2334 °C（2607 K）、沸点は4150 °C（4423 K）です。これらの高温は、ルテニウムを難熔金属に分類します。ルテニウムの融点は、プラチナ、パラジウム、銀よりも高く、オスミウム、レニウム、タングステンよりも低いです。

ルテニウムは室温で化学的に非常に不活性で、ほとんどの酸、王水を含む酸に対して耐性があります。この優れた不活性は、極端な耐食性が求められる応用に貴重です。

ルテニウムの融点：2607 K（2334 °C）。
ルテニウムの沸点：4423 K（4150 °C）。
ルテニウムはモース硬度6.5の最も硬い遷移金属です。

ルテニウムの同位体表

ルテニウムの同位体（基本的な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
ルテニウム-96 — \(\,^{96}\mathrm{Ru}\,\)	44	52	95.907598 u	≈ 5.54 %	安定	天然ルテニウムの中で最も軽く、希少な安定同位体。
ルテニウム-98 — \(\,^{98}\mathrm{Ru}\,\)	44	54	97.905287 u	≈ 1.87 %	安定	天然ルテニウムの中で2番目に希少な安定同位体。
ルテニウム-99 — \(\,^{99}\mathrm{Ru}\,\)	44	55	98.905939 u	≈ 12.76 %	安定	3番目に豊富な安定同位体。テクネチウム-99の変換生成物。
ルテニウム-100 — \(\,^{100}\mathrm{Ru}\,\)	44	56	99.904219 u	≈ 12.60 %	安定	天然ルテニウムの中で4番目に豊富な安定同位体。
ルテニウム-101 — \(\,^{101}\mathrm{Ru}\,\)	44	57	100.905582 u	≈ 17.06 %	安定	天然ルテニウムの中で2番目に豊富な同位体。
ルテニウム-102 — \(\,^{102}\mathrm{Ru}\,\)	44	58	101.904349 u	≈ 31.55 %	安定	ルテニウムの中で最も豊富な同位体で、全体の約3分の1を占めます。
ルテニウム-104 — \(\,^{104}\mathrm{Ru}\,\)	44	60	103.905433 u	≈ 18.62 %	安定	天然ルテニウムの中で3番目に豊富な同位体。
ルテニウム-106 — \(\,^{106}\mathrm{Ru}\,\)	44	62	105.907329 u	合成	≈ 373.6 日	放射性（β⁻）。重要な核分裂生成物。眼科でのベータ線源として使用されます。

ルテニウムの電子配置と電子殻

注：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか。

ルテニウムは44個の電子を持ち、これらは5つの電子殻に分布しています。完全な電子配置は1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d⁷ 5s¹、または簡略化すると[Kr] 4d⁷ 5s¹です。この配置はK(2) L(8) M(18) N(15) O(1)とも表記できます。

電子殻の詳細な構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含み、この内殻は完全で非常に安定です。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子が分布し、この殻も完全で貴ガス（ネオン）の配置を形成します。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子が分布し、この完全な殻は電子シールドに寄与します。
N殻 (n=4)：4s² 4p⁶ 4d⁷に15個の電子が分布し、7個の4d電子は価電子です。
O殻 (n=5)：5s軌道に1個の電子を含み、この電子も価電子です。

価電子と酸化状態

ルテニウムは8個の価電子を持ちます：7個の4d⁷電子と1個の5s¹電子。ルテニウムは-2から+8までの幅広い酸化状態を示しますが、 +2、+3、+4が最も一般的です。+8の状態は四酸化ルテニウム（RuO₄）に現れ、オスミウムに次ぐ最高の酸化状態です。

+3の酸化状態は水溶液中で特に安定で、さまざまなルテニウム(III)錯体を形成します。+4の状態は二酸化ルテニウム（RuO₂）に現れ、これは電子工学で使用される黒色の導電性酸化物です。四酸化ルテニウム（RuO₄）は+8の状態で、揮発性の黄金色の化合物であり、強力な酸化剤で毒性があり、四酸化オスミウムに似ています。

化学的反応性

ルテニウムは最も化学的に不活性な金属の一つです。室温では、ほとんどすべての酸、王水、濃硫酸、硝酸に対して実質的に侵されません。この優れた耐性は、金属表面に自然に形成される非常に安定した酸化被膜によるものです。

ルテニウムは800 °C以上の空気中で酸化を開始し、二酸化ルテニウム（RuO₂）を形成します。さらに高温の酸素または強力な酸化剤の存在下では、揮発性の四酸化ルテニウム（RuO₄）を形成することがあります：Ru + 2O₂ → RuO₄。四酸化物は容易に昇華し、特徴的な刺激臭を放ちます。

ルテニウムは、酸化剤の存在下でアルカリ水酸化物と融解することで溶解し、ルテニウム酸塩を形成します。高温の塩素ガスもルテニウムを攻撃し、三塩化ルテニウム（RuCl₃）を形成します。これは、ルテニウム錯体の合成に広く使用される褐色から黒色の吸湿性化合物です。

ルテニウムは、ほとんどすべての種類の配位子と非常に豊かな配位化学を形成します。ルテニウム錯体は、触媒、光化学、医学で利用される多様な構造と電子的性質を示します。ルテニウムはまた、シクロペンタジエニル、アレン、カルボニル配位子と有機金属化合物を形成します。

ルテニウムの産業および技術的応用

摩耗および腐食に強い電気接点用（リレーおよびスイッチ用）;
ハードディスクの磁気コーティングとして、記録密度を向上;
電気化学的塩素生産用電極（DSA - 次元安定性陽極）;
不斉合成およびオレフィンメタセシスの触媒（グラブス触媒）;
プラチナ-ルテニウム合金として、宝飾品および精密機器用;
マイクロエレクトロニクス用薄膜抵抗（RuO₂）;
電気化学コンデンサ（スーパーキャパシタ）の電極材料;
アンモニア生産の触媒（改良ハーバー法）;
光化学用色素増感太陽電池（ルテニウムポリピリジン錯体）;
高級万年筆のペン先（イリジウム-ルテニウム合金）;
質量分析および中性子活性化分析のマーカー;
実験医学用ルテニウムベースの抗がん化合物;
高温熱電対用プラチナ-ルテニウム合金;
化学産業用の防食コーティング。

ルテニウムと触媒：2005年のノーベル賞

ルテニウムは現代の均一系触媒において重要な役割を果たしています。2005年、イヴ・ショーヴァン、ロバート・H・グラブス、リチャード・R・シュロックにオレフィンメタセシスの開発に対してノーベル化学賞が授与されました。これは、有機分子内の炭素-炭素二重結合を再編成する革命的な化学反応です。

グラブス触媒は、カルベン配位子を持つルテニウム錯体に基づいており、有機合成を革命的に変えました。これらのルテニウム触媒は非常に安定で、多種多様な官能基に耐性があり、室温で作用し、空気や湿気に対しても安定です。第一世代および第二世代のグラブス触媒は、現在、世界中の有機化学研究室で標準的なツールとなっています。

ルテニウム触媒メタセシスは、製薬業界で複雑な分子を合成するため、高分子産業で高度な材料を生産するため、グリーンケミストリーでより効率的で汚染の少ないプロセスを開発するために大規模に使用されています。この発見は、希少金属が現代の化学と産業にどのように大きな影響を与えるかを示しています。

医学におけるルテニウム錯体

ルテニウム錯体は医学、特にシスプラチンの代替抗がん剤として関心が高まっています。プラチナとは異なり、ルテニウムは全身毒性が低く、異なる作用機序を持ち、プラチナベースの薬剤に対する耐性を克服する可能性があります。

いくつかのルテニウム化合物はヒトでの臨床試験段階に達しています。NAMI-A（イミダゾリウムトランス-イミダゾール-ジメチルスルホキシド-テトラクロロルテニウム酸塩）と KP1019（インダゾリウムトランス-テトラクロロビス（1H-インダゾール）ルテニウム(III)酸塩）は、転移および一部の耐性がんに対して有望な結果を示しています。これらの錯体は、ルテニウムの多様な酸化状態とDNAおよびタンパク質と結合する能力を利用しています。

ルテニウムポリピリジン錯体は、がんの光線力学療法のためにも研究されています。これらの化合物は可視光を吸収し、反応性酸素種を生成し、腫瘍細胞を選択的に殺傷します。このアプローチは、配位化学、光化学、腫瘍学を組み合わせ、ルテニウムの多学際的なバイオメディカル応用を示しています。

天体物理学と宇宙論における役割

ルテニウムは主に漸近巨星分枝（AGB）星でのsプロセス（遅い中性子捕獲）によって星で合成され、超新星や中性子星の合体時のrプロセス（速い中性子捕獲）も寄与します。ルテニウムの7つの安定同位体は、これらの異なる核合成プロセスの寄与を反映しています。

ルテニウムの宇宙存在量は、水素の原子数に対して約1.8×10⁻⁹倍です。この比較的高い存在量は、プラチナグループの金属としては核安定性曲線上の有利な位置と、 sプロセスおよびrプロセスにおける中性子捕獲断面積の有利さによって説明されます。

原始的隕石中のルテニウムの同位体変動は、初期の太陽系の不均一性とsプロセスおよびrプロセスの相対的寄与について貴重な情報を提供します。一部の隕石は、中性子に富むルテニウム同位体（Ru-100、Ru-104）の過剰を示し、太陽星雲の異なる領域におけるsプロセスおよびrプロセス物質の変動する寄与を示唆しています。

中性（Ru I）およびイオン化（Ru II）ルテニウムのスペクトル線は、多くの冷たい星や巨星のスペクトルで観測可能です。これらの線の分析により、ルテニウムの存在量を決定し、銀河の化学的進化を追跡することができます。ルテニウムの過剰は、 sプロセス元素に富む一部の炭素星で検出されています。

注：
ルテニウムは地殻中で極めて希少で、平均濃度は約0.001 ppm（10億分の1）であり、金の約1000倍希少です。ルテニウムは独自の鉱物を形成せず、常に超塩基性岩由来の天然プラチナ鉱石および沖積鉱床中の他のプラチナグループ金属と共存しています。

主なルテニウム鉱床は、南アフリカ（ブッシュフェルト複合体、世界の埋蔵量の約80％）、ロシア（ウラル山脈およびシベリア）、カナダ（サドベリー）、アメリカ（モンタナ）、ジンバブエにあります。世界のルテニウム生産量は年間約30〜40トンで、主にニッケルおよびプラチナの精製の副産物として生産されます。

ルテニウムは、プラチナグループ金属の濃縮物から、王水への溶解、選択的沈殿または液液抽出による分離、四酸化ルテニウム（RuO₄）の蒸留による最終精製を含む、複雑な水冶金プロセスによって抽出されます。ルテニウムの価格は産業需要によって大きく変動し、通常1トロイオンス（31.1グラム）あたり200〜500ドル、つまり1キログラムあたり約6000〜15000ドルで、プラチナ、パラジウム、ロジウムよりもはるかに安価です。