Рений

75 Вольфрам ← Рений → Осмий Tc ↑ Re ↓ Bh 75Re
Внешний вид простого вещества
Плотный, серебристо-белый металл
Свойства атома
Имя, символ, номер	Ре́ний / Rhenium (Re), 75
Атомная масса (молярная масса)	186,207 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d5 6s2
Радиус атома	137 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	128 пм
Радиус иона	(+7e) 53 (+4e) 72 пм
Электроотрицательность	1,9 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Re←Re3+ −0,30 В
Степени окисления	+7, +6, +5, +4, +3, +2, −1
Энергия ионизации (первый электрон)	759,1 (7,87) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	21,02 г/см³
Температура плавления	3453 K
Температура кипения	5873
Теплота плавления	34 кДж/моль
Теплота испарения	704 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	28,43 Дж/(K·моль)
Молярный объём	8,85 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная (плотноупакованная)
Параметры решётки	a=2,761 c=4,456 Å
Отношение c/a	1,614
Температура Дебая	416,00 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 48,0 Вт/(м·К)

75	Рений
Re 186,207
4f145d56s2

Ре́ний — химический элемент с атомным номером 75 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Re (лат. Rhenium). При стандартных условиях представляет собой плотный серебристо-белый металл.

История

Существование рения было предсказано Д. И. Менделеевым («двимарганец»), по аналогии свойств элементов в группе периодической системы.

Элемент открыли в 1925 году немецкие химики Ида и Вальтер Ноддак при проведении исследований в лаборатории компании Siemens & Halske. Элемент назван в честь Рейнской провинции Германии — родины Иды Ноддак.

Рений стал последним открытым элементом, у которого известен стабильный изотоп. Все элементы, которые были открыты позднее рения (в том числе и полученные искусственно) не имели стабильных изотопов.

Нахождение в природе

Мировая добыча рения

Мировая добыча рения в 2006 г. составила около 40 тонн. Крупнейшим производителем является чилийская компания Molymet.

Сырьевые источники и запасы

По природным запасам рения на первом месте в мире Чили, на втором месте США, а на третьем Россия.

Общие мировые запасы рения составляют около 13 000 тонн, в том числе 3500 тонн в молибденовом сырье и 9500 т — в медном. При перспективном уровне потребления рения в количестве 40—50 тонн в год человечеству этого металла может хватить ещё на 250—300 лет. Приведённое число носит оценочный характер без учёта степени повторного использования металла.

Запасы рения в виде рениита на острове Итуруп оцениваются в 10—15 тонн, в виде вулканических газов — до 20 тонн в год.

В практическом отношении важнейшими сырьевыми источниками получения первичного рения в промышленном масштабе являются молибденовые и медные сульфидные концентраты. В общем балансе производства рения в мире на них приходится более 80 %. Остальное в основном приходится на вторичное сырьё.

Геохимия рения

Рений — один из редчайших элементов земной коры. Его кларковое число — 10⁻³ г/т. По геохимическим свойствам он схож со своими гораздо более распространёнными соседями по периодической системе — молибденом и вольфрамом. Поэтому в виде малых примесей он входит в минералы этих элементов. Основным источником рения служат молибденовые руды некоторых месторождений, где его извлекают как попутный компонент.

Рений встречается в виде редкого минерала джезказганита (CuReS₄), найденного вблизи казахстанского города Джезказган (современное название — Жезказган). Кроме того, в качестве примеси рений входит в колумбит, колчедан, а также в циркон и минералы редкоземельных элементов.

О чрезвычайной рассеянности рения говорит тот факт, что в мире известно только одно экономически выгодное месторождение рения. Оно находится в России: запасы в нём составляют около 10-15 тонн. Это месторождение было открыто в 1992 году на вулкане Кудрявый, остров Итуруп, Курильские острова. Месторождение в кальдере на вершине вулкана представлено фумарольным полем размерами ~50×20 м с постоянно действующими источниками высокотемпературных глубинных флюидов — фумаролами. Это означает, что месторождение активно формируется по сегодняшний день. Рений находится здесь в форме минерала рениит ReS₂, со структурой, аналогичной молибдениту.

Ещё один минерал, содержащий рений, — таркианит (Cu,Fe)(Re,Mo)₄S₈ с 53,61 мас. % рения — был обнаружен в концентрате из месторождения Хитура в Финляндии (Kojonen еt аl., 2004).

Свойства рения

Физические свойства

Рений — тугоплавкий тяжёлый металл, по внешнему виду напоминает сталь. Порошок металла — чёрного или темно-серого цвета в зависимости от дисперсности. По ряду физических свойств рений приближается к тугоплавким металлам VI группы (молибден, вольфрам), а также к металлам платиновой группы. По температуре плавления рений занимает второе место среди металлов, уступая лишь вольфраму, а по плотности — четвёртое (после осмия, иридия и платины). По температуре кипения стоит на первом месте среди химических элементов (5873 К по сравнению с 5828 К у вольфрама). Чистый металл пластичен при комнатной температуре, но вследствие высокого модуля упругости после обработки твёрдость рения сильно возрастает из-за наклёпа. Для восстановления пластичности его отжигают в водороде, инертном газе или вакууме. Рений выдерживает многократные нагревы и охлаждения без потери прочности. Его прочность при температуре до 1200°C выше, чем вольфрама, и значительно превосходит прочность молибдена. Удельное электросопротивление рения в четыре раза больше, чем у вольфрама и молибдена.

Химические свойства

Компактный рений устойчив на воздухе при обычных температурах. При температурах выше 300°C наблюдается окисление металла, интенсивно окисление идет при температурах выше 600°C. Рений более устойчив к окислению, чем вольфрам, не реагирует непосредственно с азотом и водородом; порошок рения лишь адсорбирует водород. При нагревании рений взаимодействует с фтором, хлором и бромом. Рений почти не растворим в соляной и плавиковой кислотах и лишь слабо реагирует с серной кислотой даже при нагревании, но легко растворяется в азотной кислоте. Со ртутью рений образует амальгаму.

Рений взаимодействует с водными растворами пероксида водорода с образованием рениевой кислоты.

Стоимость

Из-за низкой доступности и высокого спроса рений является одним из самых дорогих металлов со средней ценой около 4575 долларов США за килограмм ($142,30 за тройскую унцию) по состоянию на август 2011 года. В то же время цена сильно зависит от чистоты металла, 1 кг рения стоит от 1000 до 10 000 долларов.

Получение

Технология получения рения

Рений получают при переработке сырья с очень низким содержанием целевого компонента (в основном это медное и молибденовое сульфидное сырье).

Переработка сульфидного ренийсодержащего медного и молибденового сырья основана на пирометаллургических процессах (плавка, конвертирование, окислительный обжиг). В условиях высоких температур рений возгоняется в виде высшего оксида Re₂O₇, который затем задерживается в системах пылегазоулавливания.

В случае неполной возгонки рения при обжиге молибденитовых концентратов, часть его остается в огарке и затем переходит в аммиачные или содовые растворы выщелачивания огарков (NH₄ReO₄), которые позже восстанавливают водородом:

$\mathsf{2NH_4ReO_4 + 4H_2 \rightarrow N_2 + 2Re + 8H_2O}$

Полученный порошок рения методами порошковой металлургии превращают в слитки металла.

Таким образом, источниками получения рения при переработке молибденитовых концентратов могут служить сернокислотные растворы мокрых систем пылеулавливания и маточные растворы после гидрометаллургической переработки огарков.

При плавке медных концентратов с газами уносится 56—60 % рения. Невозогнавшийся рений целиком переходит в штейн. При конвертировании последнего содержащийся в нём рений удаляется с газами. Если печные и конверторные газы используют для производства серной кислоты, то рений концентрируется в промывной циркуляционной серной кислоте электрофильтров в виде рениевой кислоты. Таким образом, промывная серная кислота служит основным источником получения рения при переработке медных концентратов.

Основные методы выделения из растворов и очистки рения — экстракционные и сорбционные.

После возгонки и очистки раствора итоговый выход из руды составляет 65-85 %. Ввиду столь низкой доли выделения дорогого металла ведутся поиски альтернативных способов извлечения из руды (что применимо ко всем рассеянным металлам). Одним из современных методов является извлечение нанофракций в водный, а не кислотный или щелочной раствор. Таким образом снижается предел обнаружения ряда химических элементов на 2-3 порядка, то есть можно фиксировать значительно меньшие концентрации.

Применение

Важнейшие свойства рения, определяющие его применение, это: очень высокая температура плавления, устойчивость к химическим реагентам, каталитическая активность (в этом он близок к платиноидам). Используется в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах на основе железа. Введение небольшого количество рения (< 0,5 %) значительно увеличивает пластические свойства сплава, сохраняя его прочность.

Рений используется при изготовлении:

• платинорениевых катализаторов, применяемых для синтеза высокооктанового компонента бензина, используемого для получения товарного бензина, не требующего добавки тетраэтилсвинца;
• вольфрам-рениевых термопар, позволяющих измерять температуры до 2200 °C;
• сплавов с вольфрамом и молибденом. Добавка рения повышает одновременно и прочность и пластичность этих металлов;
• нитей накала в масс-спектрометрах и ионных манометрах.

Кроме того, из рения делают самоочищающиеся электрические контакты. При замыкании и разрыве цепи всегда происходит электрический разряд, в результате чего металл контакта окисляется. Точно так же окисляется и рений, но его оксид Re₂O₇ летуч при относительно низких температурах (температура кипения — всего 362,4°C), и при разрядах он испаряется с поверхности контакта. Поэтому рениевые контакты служат очень долго.

Сплавы никеля и рения используются для изготовления камер сгорания, лопаток турбин, и выхлопных сопел реактивных двигателей, эти сплавы содержат до 6% рения, что делает строительство реактивных двигателей крупнейшим потребителем рения. В частности, монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы, обладающие повышенной жаропрочностью, используются для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Рений имеет критическое военно-стратегическое значение ввиду его использования при изготовлении высокопроизводительных военных реактивных и ракетных двигателей. Вторым по масштабам потребителем элемента является химическая промышленность, использующая его в качестве катализатора.

Биологическая роль

Маловероятно, что рений участвует в биохимических процессах. Вообще о воздействии рения на живые организмы известно очень мало, не изучена его токсичность, поэтому при работе с его соединениями следует быть осторожным.

Изотопы

Природный рений состоит из двух изотопов: ¹⁸⁵Re (37,4 %) и ¹⁸⁷Re (62,6 %). Первый из них стабилен, а второй испытывает бета-распад с периодом полураспада 43,5 млрд лет. Этот распад используется для датировки древних руд и метеоритов (см. Рений-осмиевый метод) по накоплению в минералах, содержащих рений, стабильного изотопа ¹⁸⁷Os. Распад ¹⁸⁷Re интересен также тем, что его энергия является наименьшей (всего 2,6 кэВ) среди всех изотопов, испытывающих бета-распад.

Ссылки

• Рений на Webelements
• Рений в Популярной библиотеке химических элементов
• Цены на рений (сайт на англ. языке)
• Переработка рения — Toma Group (сайт на англ. языке)
• Сведения о химическом элементе «рений» (Большая советская энциклопедия, 1970 г.)