Рений – происхождение, свойства и область применения. РЕНИЙ — последний из стабильных изотопов

Основные сведения

Рений (Re) — химический элемент VII группы в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 75, атомная масса 186,207. Плотный серебристо-белый переходный металл, относящийся к группе тугоплавких. Имеет высокую плотность 21,02 г/см3, температуру плавления tпл. = 3186 °С, температуру кипения tкип. = 5596 °С. Обладает хорошей прочностью, твердостью и коррозионной стойкостью; имеет высокое удельное электрическое сопротивление.

Описываемый химический элемент относится к редким тугоплавким металлам — его содержание в земной коре очень мало. В рудах всегда присутствует совместно с танталом. Основные минералы — джезказганит (CuReS4), рениит (ReS2).

Что представляет собой

Внешне рений напоминает платину или сталь: такой же холодно блестящий, серебристо-белый. Отличить его позволяет порошковая форма – темно-серая до черноты.

Относится к переходным металлам редкой рассеянной группы:

• К благородным не причислен, но превосходит их по редкости и утилитарным характеристикам.
• По составу это смесь изотопов 185 и 187 (соотношение 2:1). Рений-185 стабилен, рений-187 радиоактивен: период полураспада – более 43 млрд. лет.

Международное обозначение – Re (Rhenium), формула вещества – Re.

Как был открыт

История открытия металла охватывает два века:

• Существование элемента предполагал Дмитрий Менделеев. В 1871 году он «зарезервировал» за ним в своей таблице ячейку №75.
• Ее заполнили спустя полвека немецкие ученые Ида и Вальтер Ноддаки. Супруги-химики изучали платиновые руды и редкоземельные элементы. Протестировав полторы тысячи образцов, выявили минерал с нехарактерным сочетанием линий в спектре.

Новый металл назвали в честь Рейна – главной реки Германии.

• В 1926 году из молибденита впервые выделили рений – два миллиграмма. Через десять лет в Германии получили два центнера вещества.
• Почти чистое вещество получили в 1928 году. Ради 1 грамма переработали 0,6 тонн молибденита из Норвегии.
• Вторым государством, поставившем получение рения на поток, стали США: 4500 г в 1943 году.
• По завершении Второй мировой войны его извлечение отработали СССР, другие европейские страны: Великобритания, Бельгия, Франция, Швеция.

Рений – последний известный на сегодня природный элемент со стабильным изотопом в составе.

Физико-химические характеристики

Внешне, по физическим и химическим свойствам рений схож с платиноидами:

• Термопрочность. Характеристики, формула не меняются при длительном нагревании до 2000°C, многократных скачках от перегрева к переохлаждению.
• Каталитические характеристики.
• Повышенная стойкость к агрессивным веществам. Растворяется только азотной, нагретой серной кислотой, расплавами щелочей, пероксидом водорода.
• Окисляется при 301°С.
• Образует сплавы, соединения с галогенидами, серой.

Свойства атомаНазвание, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойстваКовалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого веществаПлотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого веществаСтруктура решётки Параметры решётки Отношение c/a Температура Дебая Прочие характеристикиТеплопроводность Номер CAS

Ре́ний / Rhenium (Re), 75

186,207(1) а. е. м. (г/моль)

[Xe] 4f14 5d5 6s2

137 пм

128 пм

(+7e) 53 (+4e) 72 пм

1,9 (шкала Полинга)

Re←Re3+ −0,30 В

от +7, +6, +5, +4, +3, +2, +1, 0, −1

759,1 (7,87) кДж/моль (эВ)

21,02 г/см³

3459 K (3186 °C, 5767 °F)

5869 K (5596 °C, 10105 °F)

34 кДж/моль

704 кДж/моль

28,43 Дж/(K·моль)

8,85 см³/моль

Гексагональная (плотноупакованная)

a=2,761 c=4,456

1,614

416,00 K

(300 K) 48,0 Вт/(м·К)

7440-15-5

Рений – первый по температуре кипения, второй по тугоплавкости (после вольфрама). Четвертый по «тяжести»: впереди только осмий, платина, иридий. По электросопротивлению вчетверо превосходит вольфрам и молибден.

Физические свойства

Свойство
Значение

Атомный номер	75
Атомная масса, а.е.м	186,207
Радиус атома, пм	137
Плотность, г/см³	21,02
Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль)	28,43
Теплопроводность, Вт/(м·K)	48,0
Температура плавления, °С	3186
Температура кипения, °С	5596
Теплота плавления, кДж/моль	34,0
Теплота испарения, кДж/моль	704
Молярный объем, см³/моль	8,85
Группа металлов	Тугоплавкий металл

Химические свойства

Свойство
Значение

Ковалентный радиус, пм	128
Радиус иона, пм	(+7e) 53 (+4e) 72
Электроотрицательность (по Полингу)	1,9
Электродный потенциал	Re←Re3+ −0,30
Степени окисления	+7, +6, +5, +4, +3, +2, −1

Валентные электроны рения

Количество валентных электронов в атоме рения — 7.

Ниже приведены их квантовые числа (N — главное, L — орбитальное, M — магнитное, S — спин)

ОрбитальNLMS

s	6	0	0	+1/2
s	6	0	0	-1/2
d	5	2	-2	+1/2
d	5	2	-1	+1/2
d	5	2	0	+1/2
d	5	2	1	+1/2
d	5	2	2	+1/2

Степени окисления, которые может проявлять рений: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7

Марки рения

Промышленное применение находят в основном сплавы рения, однако в некоторых случаях необходимо использование чистого металла.

• Ре-0, Ре-1 — рений высокой чистоты с количеством Re — 99,99% и 99,97% соответственно; поставляется в виде порошка.
• МР-47, МР-47 ВП, МР-47 ЗВП — сплав молибдена с рением, содержание Re составляет 42-47%; ВП и ЗВП обозначают способ производства — вакуумная плавка и зонная вакуумная плавка; поставляется в виде проволоки, прутков, полос и фольги.
• ВР-5, ВАР-5, ВР-20, ВР-27 ВП, ВР-27 ЗВП — соединение W и Re с 5%, 20%, 24-30% Re соответственно; буква А обозначает наличие кремнещелочной и алюминиевой присадок; заготовки: проволока, пруток.
• МВР — сплав молибден-вольфрам-рений с массовой долей Re 42-45%; полуфабрикаты: проволока.

Сплавы

Чаще используются сплавы с рением, хотя не исключается применение чистого металла.

Марки сплавов:

• МР-47;
• МР-47 ВП;
• ВР-5;
• ВАР-5;
• ВР-20;
• МВР.

В состав сплавов обычно входят вольфрам и молибден.

Плюсы и минусы

Достоинства	Недостатки
Высокие: электрическое сопротивление, твердость, прочность	Высокая цена
Высокая температура плавления
В химически агрессивных средах устойчив к коррозии	Очень редок в природе

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• имеет высокую температуру плавления;
• стоек к коррозии во многих химически агрессивных средах;
• имеет хорошие физические и механические свойства — высокая прочность и твердость, а также удельное электрическое сопротивление.

Недостатки:
• очень низкий процент содержания в земной коре (один из самых редких элементов);
• высокая стоимость (один из самых дорогих тугоплавких металлов).

Нахождение в природе

Самородный рений на Земле не встречается.

Нахождение в природе представлено следующими формами:

1. Как компонент состава собственных минералов. Они весьма редки, бедны (содержание металла не превышает 2%).
2. Промышленники разрабатывают металл попутно с полиметаллическими, платиновыми, медными, молибденовыми рудами.

Следовые количества вещества находят в буром угле.

Тонна земной коры содержит 0,7 мг рения.

Месторождения, добыча

Первые по запасам Чили, вторые США и Казахстан, третья Россия. Чили, США, Казахстан – главные поставщики сырья на мировой рынок.

Глобальные запасы рения оцениваются в 13 тысяч тонн. При ежегодном потреблении до 50 тонн недра планеты истощатся через 2,5 сотни лет.

Российские рудные (медные и молибденовые) запасы сосредоточены в Подмосковье и Рязанской области.

Уникальный источник вещества – вулкан Кудрявый на острове Итуруп (Курильская гряда):

• Потенциально оттуда можно извлекать 11-14 тонн, из вулканических газов – 18-27 тонн ежегодно.
• Структура его минерала – рениита – аналогична молибденовой.
• Вулканические газы также насыщены индием, германием, другими ценными металлами.

Это единственное на планете «месторождение» в жерле действующего вулкана.

И единственная локация, на которой рентабельна добыча рения как основного, а не побочного продукта.

Главная проблема при добыче – улавливание соединений металла (оксидов). Они улетучиваются почти мгновенно, поэтому требуется тщательная организация процесса.

Технология получения

Главный исходник для получения металла – медно-молибденовая руда. Из нее извлекают медь, молибден, затем выделяют рений.

Для этого применяют пиро-, гидрометаллургические, электрохимические методы переработки первичного либо вторичного сырья.

Второй способ получения металла – извлечение из урановых руд методом подземного выщелачивания.

Особенности и технологические моменты получения рения

Руды, содержащие рений, сначала обжигают или нагревают на воздухе, чтобы превратить их в оксид рения ReO3. Затем газообразный водород пропускают через оксид рения. Водород превращает оксид рения в чистый металл.

Товарный Re извлекается из топочного дымового газа молибдена, полученного из медно-сульфидных рудах  путем высокотемпературного обжига. Часто  продается в виде соли аммония, перрената аммония, от которого он может быть дополнительно очищен. Очистка включает восстановление водородом при высоких температурах с получением рениевого порошка, который может быть изготовлен в форме с использованием процессов порошковой металлургии.

Некоторые руды молибдена содержат от 0,002 до 0,2% рения. Общее мировое производство составляет от 40 до 50 тонн/год. Коммерческие операции по производству рения таким способом можно найти в Майами, Аризоне и Юте в США, а также в Чили, России, Казахстане и Украине. Высокая стоимость этого элемента сильно ограничивают его применение. Тем не менее, благодаря своей исключительной стойкости к высоким температурам Re  необходим при выпуске термопар для измерения температур до 2500 C, в неокисляющих атмосферах, а также при производстве тугоплавких сплавов с вольфрамом.

Рений может быть выплавленный с использованием методов сварки инертным газом или электронно-лучевой сваркой, но должен быть защищен от окисления. Он может быть обработан с использованием электрохимической, электронно-разрядной обработки, абразивной резки и шлифования.

Область применения

Существуют хорошие перспективы использования сплава рения, применяемого в электроинструментальном производстве, поскольку он и некоторые его сплавы обладают  упругими свойствами. Таким образом, введение рения в кобальтовые сплавы позволило решить проблему повышения твердости и стойкости к износу и обеспечило надежность сердечников электроинструмента в условиях вибрации и повышенных нагрузок.

Рений применение:

1. Ракетные двигатели для малых спутников.
2. В качестве материала электрического контакта, где он может выдерживать высокие условия износа и искрения.
3. Рениевый провод используется в фотовспышке.
4. В катализаторах для гидрирования мелких химических веществ, гидрокрекинга, риформинга и диспропорционирования олефинов. Он подходит для этого применения, поскольку обладает исключительной стойкостью к таким элементам, как фосфор, азот и сера.
5. После облучения нейтронной бомбардировкой он может применяться в медицинских целях для лечения рестеноза и опухолей печени.
6. Для изготовления термисторов.
7. Он добавляется к другим металлам для придания полезных свойств, например,никелевые суперсплавы  газотурбинных двигателей для повышения их рабочей температуры.
8. Рений вольфрамовые сплавы используются для высокотемпературных термопар (до 2200 C).

Рений используется для производства ракетных двигателей для малых спутников

Рений в нефтехимической промышленности

В нефтехимической промышленности данный металл выступает важным элементом биметаллических катализаторов при крекинге и риформинге нефти. При его использовании возможно значительное повышение объемов производимого высокооктанового бензина. При этом необходимо отметить, что катализатор из рения намного доступнее, чем из платины, и срок службы у него дольше как минимум в два раза. Поэтому производителям очень выгодно применять рений. Сегодня во многих странах мира налажено производство катализаторов с использованием данного металла. Рений можно назвать базовой основой катализаторов. Более того, применение этого металла позволяет повысить пропускную способность установок примерно на 50%. Следует отметить, что такой подход приносит производителям положительные результаты и одновременно с этим значительно уменьшает затраты на производство.

Рисунок 1. Катализаторы из рения

Применение рения в металлургии

Рений очень востребован в металлургии. Еще в конце прошлого столетия (в 1970-1980 годах) применение данного металла положительным образом повлияло на рост производства. Его добавляли в качестве легирующего элемента в жаропрочные никелевые сплавы. Также в больших масштабах запускалось производство платинорениевых катализаторов различного назначения. На сегодняшний день его использование в различных отраслях промышленности повысилось в несколько раз. Рений применяется в производстве проволочных и ленточных подвес в устройствах геодезического назначения. Данный металл используют также при изготовлении пружин и других расходных деталей (то есть элементов, требующих замены после износа). Традиционная область использования рения – это специальная металлургия. Несмотря на то, что рений относится к тугоплавким металлам, все же он имеет кардинальные отличия от других металлов данной группы. К примеру, от вольфрама его отличает то, что он не вступает в водяной цикл (речь идет о процессе, который вызывает повреждение нити накала вакуумных ламп). В этом кроется причина «долголетия» вакуумной лампы, произведенной с рениевой нитью. Удивительно, но она может служить целый век (100 лет).

Такие факты свидетельствуют об эффективности рения как легирующего элемента разных металлов и сплавов. Доказано, что этот элемент способствует повышению их пластичности и износостойкости.

На сегодняшний день в металлургии применяются двойные и даже многокомпонентные сплавы рения с другими металлами. К примеру, широко распространено производство следующих сплавов:

• Никель-рений;
• Вольфрам-рений;
• Молибден-рений;
• Никель-молибден-рений;
• Никель-тантал-рений;
• Никель-вольфрам-рений.

Следует отметить, что такие сплавы отличаются высокими механическими качествами не только при комнатной, но и при повышенных температурах. Они не деформируются (т.е. не теряют форму) и не охрупчиваются в результате кристаллизации. Сплавы с добавлением рения отлично свариваются. Они также устойчивы к появлению ржавчины в период пребывания в неблагоприятных условиях.

Рений и измерительные технологии

Для измерения температуры в термопаре рений просто незаменим. Благодаря его применению становится возможным измерение температуры до 2600 градусов. В связи с этим качеством данного металла его и начали использовать в атомной промышленности. Из рения изготавливают цельнотянутую трубку для тепловыделяющих элементов. В результате эти элементы бывают способны функционировать даже при очень высоких температурах. Они выдерживают до 3000 градусов.

Рисунок 2. Термопара вольфрам-рений

Для термопар активно применяются сплавы рения с вольфрамом и молибденом. Для этих соединений характерна устойчивая термоэлектродвижущая сила. Производимые с добавлением рения термопары предназначены для работы в вакууме, в нейтральных условиях и даже в условиях высокой радиации. Существенный плюс термопары заключается в сохранении пластичности даже после длительного воздействия высоких температур при нагревании. В результате при помощи термопары из сплава рений-вольфрам становится возможным измерение температуры до 2600 градусов. Именно по этой причине редкий металл рений применяется в производстве нагревателей и нитей накала в электронных лампах и трубках.

Применение рения в других областях промышленности

Также рений используют в производстве электронных приборов и электротехники (термопары, антикатоды, полупроводники, электронные трубки и т.д.). Не менее актуально использование данного элемента в аэрокосмической промышленности.

Рений применяют в производстве осветительных приборов и электровакуумной техники. Из него не только делают полупроводники, но и добавляют в сплавы, которые затем используют при изготовлении кернов – опор с вращающейся рамкой. Это связано с тем, что данный металл обладает парамагнетизмом. Соответственно, его использование придает этим узлам такое качество, как немагнитность. К тому же рений придает повышенную прочность кернам. Благодаря его воздействию они не бывают подвержены ржавчине. Таким образом, данный металл обеспечивает кернам антикоррозийную защиту. Причина такого влияния рения – в его уникальных физических свойствах. Применяется рений и при изготовлении гигроскопов и крутильных весов. В этих случаях его используют в виде сплава, где данный металл составляет 7 процентов от общего содержания элементов.

Из рения также производят:

• Нити накала;
• Сетки и запчасти для электронно-лучевой трубки;
• Подогреватели катодов;
• Загенераторные лампы;
• Приемники.

Рисунок 3. Генераторные лампы

На сегодняшний день его использование в различных отраслях промышленности повысилось в несколько раз. Рений применяется в производстве проволочных и ленточных подвес в устройствах геодезического назначения. Данный металл используют также при изготовлении пружин и других расходных деталей (то есть элементов, требующих замены после износа).

Ценным элементом считается рений и в медицине. В данной области его используют в производстве медицинских инструментов, а также для научных экспериментов, направленных на лечение тех или иных болезней.

Применяют этот металл и в ювелирном деле. Мало кто знает, что покрытие драгоценных украшений и вообще предметов ювелирного искусства – это не что иное, как рений. А в радиопромышленности этот ценный металл используется для создания микросхем. Рений применяют в качестве самоочищающегося контакта и как защитное средство в производстве металлических изделий. Как известно, покрытие из него защищает их от коррозии.

Продукция из рения

Современное промышленное производство предлагает практически полный спектр стандартных заготовок, активно используемых в различных областях. Из круглого проката можно выделить рениевую проволоку и пруток. Плоский прокат представляет рениевая фольга и полоса. К исходному сырью можно отнести порошок рения, который занимает основополагающее место в цепочке производства изделий из данного металла.

Где используется

Производственники оценили достоинства рения: жаропрочность, стойкость, твердость.

Однако масштабы использования диктует цена: рений востребован там, где заменить его нечем. Применяются в основном сплавы.

Рений как металл востребован следующими отраслями:

• Самолето-, ракетостроение. Главный потребитель металла (70%). Двигатели сверхзвуковых самолетов для оборонного и гражданского сектора. Присутствие рения в сплаве материала увеличивает грузоподъемность лайнера.

Для турбины двигателя новых модификаций лайнеров (Airbus, Bombardier, других) требуется 5,39 кг рения.

• Электроника, электротехника. Лампы накаливания специального назначения, рентгеновские, электроннолучевые трубки, термопары, контакты, начинка точных приборов.

Окисленные контакты из рения самоочищаются: окись улетучивается.

• Химия, нефтепереработка. Металл ценится как восстанавливаемый катализатор. Идет на производство элитных марок бензина.
• Ядерная медицина. Изотопами металла диагностируют, лечат сложные формы недугов, включая онкологию.

В мире востребовано ноу-хау российских ученых – рений-188. Аналогов этому продукту нет.

• Наука. Радиоактивный изотоп рений-187 – маркер по установлению возраста геологических формаций.

Новая сфера применения – покрытие. Процесс нанесения металла на поверхность называется ренированием. Им покрывают изнутри поверхности цистерн, контейнеров для агрессивных  химикалий.

Недостатки металла, тормозящие применение, – редкость, сложность добычи, высокая цена.

Значение для человека

Рений не участвует в биологических процессах, но оценено его влияние на экологию.

Это «зеленый» элемент: двигатели из материалов с рением выдают более высокий КПД по использованию топлива. Как результат – уменьшение выбросов углекислого газа в атмосферу.

Цена редкоземельного металла

Редкость нахождения в земной коре, приводит к большему спросу на Re, что сильно влияет на его цену. Стоимость рения обычно указывается в фунтах или килограммах вместо тройских унций, что дает необычайно высокую цену по сравнению с другими драгоценными металлами.

Стоимость производства первого грамма рения в 1928 году оценивалась в 15 000 долларов. Сегодня она зависит от уровня использования в аэрокосмической промышленности, удерживается на уровне  около 1200 долларов США за фунт или 2500 долларов США за килограмм. Угроза истощения Re является насущной проблемою, поэтому ученые постоянно проводят исследования по замене его в компонентах реактивных двигателей.

В СССР основным потребителем Re и его продуктов была Россия с 70% уровнем, а производителем – Казахстан, занимающий по запасам второе место после США.

Сегодня более 50% мирового производства Re поступает из Чили, где работает мировой лидер Molibdenosy Metales-Molymet, почти вся продукция, которого потребляется американской аэрокосмической промышленностью.

Крупнейшие заводы по извлечению рения из молибденитовых концентратов:

• Заводом Molymex в Мексике, на основе концентратов с рудника La Caridad, управляемым Grupo Mexico;
• ферромолибденовый завод в Бельгии (Sadaci);
• металлургический завод Chemiemetall в Германии;
• металлургические заводы в Китае;
• завод в Дезказгане в Казахстане;
• Уралэлектромедь в России;
• Навоийский завод Алмалык в Узбекистане;
• Ереванский металлургический завод;
• металлургический концерн KGHM Польша.

В некоторых странах, таких как: Иран, Монголия и Чили, извлекается только часть рения из концентратов молибденита. Это связано с отсутствием соответствующих перерабатывающих предприятий — обжиговых установок, оборудованных мокрыми пылеуловителями.

Рений имеет большой потенциал для будущего

Будучи относительно «молодым» элементом, исследователи и разработчики видят в нем большой потенциал для будущего. Одним из наиболее перспективных свойств рениевых сплавов является их благоприятная биосовместимость, что делает их очень привлекательными для использования при производстве изделий медицинского назначения. В частности, молибден-рениевые сплавы показали лучшие результаты в имплантатах, чем обычные титановые сплавы. Кроме того, исследователи изучили свойства диборида рения, как материала для твердых покрытий и обнаружили, что его твердость почти эквивалентна твердости кубического нитрида бора.

Евгения Фомина

Лом и отходы рения

Лом рения достаточно востребован на рынке вторичного сырья. Объявления типа: рений куплю, нацелены не только на отработавшие изделия из этого метала, но и на штабик, порошок рения, его прокат, сплавы, в частности МР47ВП, ВР5, ВР20. Фото перечисленных образцов в интернете не так уж и много. Приемщики вторичного металла соглашаются покупать и термопарную проволоку, а также фольгу, содержащую Re. Сегодня на металлический рений цена определяется чистотой металла и начинается от $1000 за килограмм. Альтернативно, многие компании согласны купить сырье под рений, представляющее собой руду, концентрат или другой неметалл, например, соли элемента.

Проволока из сплава с рением

Поэтому найденный отработанный медицинский инструмент, отходы производства рения, отработавшие ресурс термопары, а также любой другой материал, применяющийся для получения этого металла, его порошка представляет интерес.