Рений

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
75 ВольфрамРенийОсмий
Tc

Re

Bh
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
75Re
Hexagonal.svg
Electron shell 075 Rhenium.svg
Внешний вид простого вещества
Рений
Плотный, серебристо-белый твердый металл
Свойства атома
Название, символ, номер

Ре́ний / Rhenium (Re), 75

Атомная масса
(молярная масса)

186,207(1)[1] 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[2] г/см³

Температура плавления

3459 K (3186 °C, 5767 °F)[2]

Температура кипения

5869 K (5596 °C, 10105 °F)[2]

Уд. теплота плавления

34 кДж/моль

Уд. теплота испарения

704 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

28,43[3] 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[4]

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

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Название элемента происходит от латинского Rhenus — наименование реки Рейн в Германии[5].

История[править | править вики-текст]

Существование рения было предсказано Д. И. Менделеевым («тримарганец») в 1871 году[5], по аналогии свойств элементов в группе периодической системы.

Элемент открыли в 1925 году немецкие химики Ида и Вальтер Ноддак, исследуя минерал колумбит спектральным анализом[5] в лаборатории компании Siemens & Halske. Об этом было доложено на собрании немецких химиков в Нюрнберге. В следующем году группа учёных выделила из молибденита первые 2 мг рения. Относительно чистый рений удалось получить только в 1928 году. Для получения 1 г рения требовалось переработать более 600 кг норвежского молибденита.

Первое промышленное производство рения было организовано в Германии в 1930-х годах[6]. Мощность установки составляла 120 кг в год, что полностью удовлетворяло мировую потребность в этом металле. В 1943 году в США после переработки молибденовых концентратов были получены первые 4,5 кг рения.

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[править | править вики-текст]

Мировая добыча рения[править | править вики-текст]

Мировая добыча рения в 2006 г. составила около 40 тонн. Крупнейшим производителем является чилийская компания Molymet[7]. Производство рения стабильно растет и в 2008 г. составило уже 57 тонн[6].

Сырьевые источники и запасы[править | править вики-текст]

По природным запасам рения на первом месте в мире стоит Чили[8], 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[9].

В практическом отношении важнейшими сырьевыми источниками получения первичного рения в промышленном масштабе являются молибденовые и медные сульфидные концентраты. Содержание рения в них может доходить до 0,002—0,005 % по массе[5]. В общем балансе производства рения в мире на них приходится более 80 %. Остальное в основном приходится на вторичное сырьё[10].

Геохимия рения[править | править вики-текст]

Рений — один из редчайших элементов земной коры. Его содержание в земной коре оценивается в 7·10-8 по массе[3]. 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 (каз. Жезқазған). Кроме того, в качестве примеси рений входит в колумбит, колчедан[11], а также в циркон и минералы редкоземельных элементов[3].

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[12]. Рений находится здесь в форме минерала рениит ReS2, со структурой, аналогичной молибдениту. Месторождение[13] 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: по разным оценкам, с газами в атмосферу уходит от 10 до 37 тонн рения в год.

Ещё один минерал, содержащий рений, — таркианит (Cu,Fe)(Re,Mo)4S8 (53,61 % Re) — был обнаружен в концентрате из месторождения Хитура в Финляндии[14].

Физические свойства[править | править вики-текст]

Рений — блестящий серебристо-белый металл. Порошок металла — чёрного или тёмно-серого цвета в зависимости от дисперсности. Это один из наиболее плотных и твердых металлов (плотность — 21,02 г/см³). Температура плавления — 3459 K (3186 °C)[2]. Кипит при 5869 K (5596 °C)[2]. Парамагнитен[5].

Кристаллическая решётка гексагональная (а = 0,2760 нм, с = 0,4458 нм)[3] (а = 0,2761 нм, с = 0,4456 нм)[15].

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 (5869 К по сравнению с 5828 К у вольфрама)[2]. 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[10].

Химические свойства[править | править вики-текст]

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[16].

Рений взаимодействует с водными растворами пероксида водорода с образованием рениевой кислоты. Рений единственный из жаростойских металлов не образует карбидов.

Стоимость[править | править вики-текст]

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[17][18].

Получение[править | править вики-текст]

Технология получения рения[править | править вики-текст]

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 остаётся в огарке и затем переходит в аммиачные или содовые растворы выщелачивания огарков (NH4ReO4), которые позже восстанавливают водородом:

\mathsf{2NH_4ReO_4 + 7H_2 \rightarrow 2NH_3 + 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[10].

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[19].

Применение[править | править вики-текст]

Важнейшие свойства рения, определяющие его применение — это очень высокая температура плавления, устойчивость к химическим реагентам, каталитическая активность (в этом он близок к платиноидам). Тем не менее, рений является дорогим и редким металлом, поэтому его использование ограничено теми случаями, когда оно даёт исключительные преимущества перед использованием других металлов.

До открытия платинорениевых катализаторов риформинга основной областью применения рения были жаропрочные сплавы[20]. Сплавы рения с молибденом, вольфрамом и другими металлами используются при создании деталей ракетной техники и сверхзвуковой авиации. 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[21]. Рений имеет критическое военно-стратегическое значение ввиду его использования при изготовлении высокопроизводительных военных реактивных и ракетных двигателей[22].

Вольфрам-рениевые термопары позволяют измерять температуры до 2200 °C. Как легирующую присадку рений вводят в сплавы на основе никеля, хрома и титана. Промотирование рением платиновых металлов увеличивает износоустойчивость последних. Из подобных сплавов делают наконечники перьев автоматических ручек, а также фильеры для искусственного волокна. Также рений используют в сплавах для изготовления деталей точных приборов, например, пружин. Рений применяют для изготовления нитей накала в масс-спектрометрах и ионных манометрах, а также катодов. В этих случаях также используют вольфрам, покрытый рением. Рений химически стоек, поэтому его применяют для покрытий, предохраняющих металлы от действия кислот, щелочей, морской воды и сернистых соединений.

С момента открытия платинорениевых катализаторов риформинга[23] рений начали активно использовать для промышленного производства таких катализаторов. Это позволило повысить эффективность производства высокооктановых компонентов бензина, используемых для получения товарного бензина, не требующего добавки тетраэтилсвинца. Использование рения в нефтепереработке в разы повысило мировой спрос на него.

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.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Рений не участвует в биохимических процессах и не играет биологической роли[24]. Вообще о воздействии рения на живые организмы известно очень мало, не изучена его токсичность, поэтому при работе с его соединениями следует быть осторожным[источник не указан 205 дней].

Изотопы[править | править вики-текст]

Природный рений состоит из двух изотопов: 185Re (37,07 %) и 187Re (62,93 %)[5]. 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 (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.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 3 4 5 6 Rhenium: physical properties (англ.). WebElements. Проверено 17 августа 2013.
  3. 1 2 3 4 Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 236. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
  4. Rhenium: crystal structure (англ.). WebElements. Проверено 17 августа 2013.
  5. 1 2 3 4 5 6 Рений — статья из Большой советской энциклопедии
  6. 1 2 Обзор рынка рения в СНГ. Исслед. группа ИнфоМайн, М.: 2009.
  7. metaltorg.ru Проблемы мирового рынка рения (рус.) : Информационный бюллетень МЭРТ РФ. — metaltorg.ru, 2006.
  8. Anderson, Steve T 2005 Minerals Yearbook: Chile (PDF). United States Geological Survey. Проверено 26 октября 2008. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  9. Кременецкий А. Завод на вулкане (рус.) // Белоконева О. Журнал «Наука и жизнь». — Наука и жизнь, 2000. — № 11.
  10. 1 2 3 Коровин С. С., Букин В. И., Федоров П. И.,Резник А. М. Редкие и рассеянные элементы / Под общ. ред. Коровина С. С. — Химия и технология. — М.: МИСИС, 2003. — Т. 3.
  11. О редких и рассеянных элементах
  12. Федеральное агентство лесного хозяйства министерства природных ресурсов Российской Федерации
  13. Рениевое поле на Кудрявом (рус.). geol.msu.ru (1999). — Рениевое поле на Кудрявом - единственное месторождение рения в мире. Проверено 20 июля 2012. Архивировано из первоисточника 27 мая 2012.
  14. Kojonen еt аl., 2004
  15. (1970) «Effect of pressure and temperature on lattice parameters of rhenium». Journal of Physics and Chemistry of Solids 31 (6): 1345–1351. DOI:10.1016/0022-3697(70)90138-1. Bibcode1970JPCS...31.1345L.
  16. Лебедев К. Б. Рений. — М.: Металлургиздат, 1960.
  17. Рений — металл XXI века
  18. Цены российского рынка на металлы и сырье
  19. Rusnanotech 2010 — Третий Международный форум по нанотехнологиям 1-3 ноября 2010 г
  20. П.С. Киндяков. Химия редких и рассеянных элементов, 1969.
  21. Каблов Е. Н., Толораия В. Н., Орехов Н. Г. Металловедение и термическая обработка металлов // Монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы для турбинных лопаток ГТД. — № 7. — 2002. — С. 7—11.
  22. RHENIITE (Rhenium Sulfide). Проверено 30 декабря 2012. Архивировано из первоисточника 5 января 2013.
  23. H.E. Kluksdahl, Патент США 3415737 (Chevron), 1968.
  24. Rhenium: biological information

Ссылки[править | править вики-текст]