Re · العنصر 75 · فلز انتقالي
أحد أندر العناصر في القشرة الأرضية، وهو الفلز الذي يسمح لتوربينات الطائرات النفاثة بالعمل عند درجات حرارة أعلى.
البنية
ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.
القيم المقاسة
يوضح كل شريط موضع رينيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.
المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.
الحجم، وفق المقياس
نصف القطر 137 pm — أي 0.137 nm، ولذلك فإن نحو 3.65 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.
المدى الحراري
يكون رينيوم سائلًا ضمن مجال 2410 K، من 3459 K إلى 5869 K.
موضعه
القصة
أحد أندر العناصر في القشرة الأرضية، وهو الفلز الذي يسمح لتوربينات الطائرات النفاثة بالعمل عند درجات حرارة أعلى.
شكّل اكتشاف رينيوم في عام 1925 نهاية حقبة؛ فقد كان آخر عنصر مستقر يُعثر عليه في الطبيعة. تمتد قصة التحقيق العلمي الملحمية هذه على مدى ثلاثة عقود، ويشارك فيها كيميائيون ألمان بارعون، وتثبت أن المثابرة تتغلب حتى على أصعب الأهداف مراوغةً في الطبيعة.
تنبأ الجدول الدوري لـ Dmitri Mendeleev بوجود عنصر بين المنغنيز والتكنيشيوم، وأطلق عليه اسم "dvi-manganese." وعلى مدى 20 عاماً، بحث الكيميائيون في جميع أنحاء العالم بشغف عن هذه القطعة المفقودة من أحجية العناصر، وحللوا آلاف العينات المعدنية من دون نجاح.
إنذارات كاذبة: ثبت زيف "اكتشافات" متعددة، منها "nipponium" من اليابان و"masurium" من ألمانيا. عمّقت كل إخفاقات الغموض؛ فأين كان العنصر 75 مختبئاً؟
وجّهت إرث Henry Moseley البحث. فقد كشفت أعماله في علم البلورات بالأشعة السينية أن العنصر 75 ينبغي أن يصدر انبعاثات مميزة من الأشعة السينية، مما وفّر طريقة حاسمة للتعرّف عليه. منح هذا الاختراق الكيميائيين الأداة التي احتاجوا إليها للعثور على الإبرة في كومة قش الطبيعة.
حقق Walter وIda Noddack إلى جانب Otto Berg المستحيل في جامعة برلين. فباستخدام 660 kg من خام البلاتين ومعادن الموليبدنوم، رصدوا البصمة المميزة للأشعة السينية للعنصر 75، مستعينين بتقنياتهم الطيفية الثورية.
"لقد نجحنا في إثبات وجود العنصر 75. ونقترح اسم رينيوم، نسبةً إلى نهر الراين في وطننا الألماني" - Walter Noddack، 1925
التحدي المذهل: احتوت عينتهم الأولى على 1 milligram فقط من مركبات رينيوم المستخلصة من أكثر من نصف ton من الخام؛ أي بتركيز 0.0002%. وبالمقارنة، يبدو العثور على شخص بعينه في مدينة New York City أمراً سهلاً.
بعد ثلاث سنوات من الاكتشاف، عزل Noddacks أخيراً 1 gram من معدن رينيوم نقي من خلال اختزال بيررينيوم الأمونيوم بالهيدروجين. أثبتت هذه العينة الصغيرة، التي كانت قيمتها أعلى من الذهب، الخصائص الفريدة لرينيوم، وأطلقت عقوداً من البحث في تطبيقاته.
كيميائي تحليلي ألماني رائد في استخدام مطيافية الأشعة السينية لاكتشاف العناصر. جعل نهجه الدقيق وتقنياته الثورية اكتشاف رينيوم ممكناً عندما أخفق الآخرون.
فيزيائية ألمانية بارعة وأول امرأة تكتشف عنصراً كيميائياً. كانت خبرتها في علم البلورات بالأشعة السينية حاسمة للتعرّف على رينيوم. كما تنبأت بالانشطار النووي قبل تأكيده بـ 50 عاماً.
كيميائي ألماني متخصص في استخلاص العناصر النادرة. مكّنت خبرته في المعالجة الكيميائية من عزل رينيوم نقي من خامات شديدة التخفيف.
بوجود 0.7 جزءاً في البليون في القشرة الأرضية، يكاد يتعذر كشف رينيوم بالتحليل التقليدي. ولا تحتوي معظم العينات المعدنية على أي رينيوم إطلاقاً.
لا يُكوّن رينيوم معادنه الخاصة، بل يحل عشوائياً محل عناصر أخرى بمستويات ضئيلة، مما يمنع تركزه في رواسب يمكن العثور عليها.
لم يكن الكيمياء التحليلية في عشرينيات القرن العشرين قادراً على كشف كميات تقل عن milligram. ولم توفّر الحساسية الكافية لكشف رينيوم إلا مطيافية الأشعة السينية.
حتى بعد اكتشافه، تطلّب استخلاص رينيوم نقي معالجة كميات هائلة من الخام عبر عشرات خطوات الفصل الكيميائي.
اختار Noddacks اسم "رينيوم" تكريماً لنهر الراين (Rhenus باللاتينية) الذي يجري عبر وطنهما الألماني. عكس هذا الاسم الوطني الفخر القومي الشديد بالإنجاز العلمي خلال عشرينيات القرن العشرين. ومن المفارقات أن نهر الراين لا يحتوي على رينيوم يمكن كشفه؛ فالعنصر نادر جداً حتى في نهر الراين العظيم.
لم يكن بوسع Noddacks أن يتخيلوا أن فضولهما المختبري سيشغّل في نهاية المطاف محركات الطائرات ويمكّن استكشاف الفضاء. فقد أطلق عملهما الدقيق في تحديد 1 milligram من مركبات رينيوم صناعةً تبلغ قيمتها الآن مليارات الدولارات سنوياً. وتعتمد كل رحلة جوية تجارية اليوم على اختراقهما الذي حققاه في عام 1925 داخل مختبر في برلين.
أرسى اكتشاف رينيوم تقنيات الكيمياء التحليلية التي لا تزال تُستخدم اليوم لكشف العناصر النزرة. وتطورت أساليب Noddacks في مطيافية الأشعة السينية إلى أجهزة حديثة قادرة على كشف الذرات الفردية. ولا تزال مثابرتهما في السعي إلى تحقيق المستحيل تلهم العلماء الذين يتصدون لأصعب مشكلات البحث المعاصرة.
الاستخدامات
يُعدّ الرينيوم أندر عنصر مستقر على الأرض، وهو أثمن من الذهب والبلاتين مجتمعين. وبفضل مقاومته الاستثنائية للحرارة وخصائصه التحفيزية الفريدة، يتيح هذا الفلز فائق الندرة أكثر التقنيات تطلباً التي طورتها البشرية.
يعتمد الطيران التجاري اعتماداً كاملاً على قدرة الرينيوم على تقوية السبائك الفائقة من النيكل في شفرات توربينات المحركات النفاثة. وتعمل الشفرات المحتوية على الرينيوم عند 1,600°C في محركات المروحة التوربينية الصاخبة، مما يتيح كفاءة في استهلاك الوقود تجعل السفر الجوي الحديث مجدياً اقتصادياً. يحتوي محرك Boeing 777 واحد على 6 kg من الرينيوم.
أحدثت محفزات الرينيوم والبلاتين ثورة في إنتاج البنزين من خلال الإصلاح التحفيزي. تزيد هذه المحفزات رقم الأوكتان مع تقليل الانبعاثات الضارة، فتحول النفط الخام إلى أنواع وقود عالية الأداء. وتدين كل وحدة من البنزين الممتاز بجودتها إلى السحر التحفيزي للرينيوم.
تستخدم دافعات المركبات الفضائية مقاومة الرينيوم الاستثنائية للصدمات الحرارية في أقطاب الدفع الأيوني واحتواء البلازما. ويحافظ الرينيوم على سلامته البنيوية خلال دورات تغير درجات الحرارة القصوى في المهمات الفضائية، من -270°C في ظل الأرض إلى +120°C تحت أشعة الشمس المباشرة.
تقيس المزدوجات الحرارية من النوع C، التي تستخدم سبائك التنغستن والرينيوم، درجات حرارة تصل إلى 2,320°C في اختبارات الطيران والفضاء والمفاعلات النووية وأبحاث المواد. وتراقب هذه الأدوات الدقيقة درجات حرارة بلازما الاندماج والدروع الحرارية للمركبات الأسرع من الصوت، حيث تنصهر المستشعرات الأخرى فوراً.
تجعل خصائص امتصاص الرينيوم للنيوترونات منه مادة قيّمة لعناصر التحكم في المفاعلات النووية. وتستخدم المفاعلات البحثية سبائك الرينيوم لمكوّنات يجب أن تحافظ على قوتها تحت إشعاع شديد، مع مقاومة التقصف الناجم عن النيوترونات.
توفر فتائل المجهر الإلكتروني المصنوعة من الرينيوم أداءً متفوقاً للتصوير فائق الدقة. وتستخدم أطراف مجهر المسح النفقي أسطح الرينيوم الملساء ذرياً لتحقيق دقة غير مسبوقة في أبحاث تقنية النانو.
لا يتجاوز الإنتاج العالمي من الرينيوم 50 طن سنوياً - أي أقل من وزن عربة مترو واحدة. وتجعل هذه الندرة الشديدة قيمة الرينيوم تبلغ $10,000 لكل kilogram، ومع ذلك تدفع شركات الطيران هذه التكاليف بسخاء لأن المحركات المعززة بالرينيوم توفر ملايين الدولارات من كفاءة الوقود والصيانة طوال عمرها التشغيلي.
ستتطلب مفاعلات طاقة الاندماج سبائك الرينيوم للمكوّنات المواجهة للبلازما، التي يجب أن تتحمل قصف النيوترونات عند 1,000°C. وستعتمد محركات الطائرات الأسرع من الصوت التي تعمل عند Mach 5+ على الاستقرار الحراري للرينيوم، في حين قد تستخدم المصاعد الفضائية مركبات من الأنابيب النانوية الكربونية المقواة بالرينيوم.
على الرغم من كونه أندر عنصر مستقر، فإن رينيوم يمس الحياة اليومية من خلال تقنيات تعتمد على خصائصه الاستثنائية. يستفيد معظم الناس من رينيوم من دون أن يعرفوا بوجوده قط.
لن ترى رينيوم مباشرةً، لكنه يتيح قيام العالم الحديث:
يمكن أن يتسع الإنتاج العالمي السنوي من رينيوم (50 طناً) في مستودع صغير، ومع ذلك تتيح هذه الكمية الضئيلة:
الخلاصة: يثبت رينيوم أن حتى أندر المواد يمكن أن يكون لها تأثير هائل عند استخدامها استراتيجياً في تطبيقات عالية القيمة.
مصدره
7.00e-4 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 31% من العناصر
يتوج رينيوم بوصفه أندر عنصر مستقر في القشرة الأرضية، إذ لا تتجاوز وفرته 0.7 جزء في المليار. ولإدراك مدى ندرته الشديدة:
تشبيه: لو كانت القشرة الأرضية ملعباً لكرة القدم، لكان العثور على رينيوم أشبه بالعثور على حبة رمل محددة بين جميع المقاعد.
كان رينيوم آخر عنصر موجود طبيعياً يُكتشف (1925)، ليس لأن العلماء لم يكونوا يبحثون عنه، بل لأن العثور عليه يكاد يكون مستحيلاً. وحتى اليوم، بعد 98 عاماً، يظل رينيوم نادراً إلى حد أن معظم طلاب الجيولوجيا ينهون دراستهم من دون أن يروا عينة نقية منه قط.
لا يُكوّن رينيوم معادنه الخاصة بكميات اقتصادية. بل يحل محل الموليبدنوم في الموليبدينيت (MoS₂) بمستويات تتراوح بين 0.001-0.2%. ويعطي كل طن من مركز الموليبدنوم 1-2 kg فقط من رينيوم بعد معالجة معقدة.
تحتوي بعض خامات النحاس على كميات ضئيلة من رينيوم تتركز في غبار مداخن المصاهر. ويتطلب استخراجه معالجة آلاف الأطنان من الغبار للحصول على kg من رينيوم، في ما يشبه العثور على إبر في أكوام القش.
تخضع مكونات محركات الطائرات النفاثة المستهلكة لإعادة تدوير مكثفة لاسترداد كل gram من رينيوم. وتجعل القيمة العالية جداً للمعدن إعادة تدويره جذابة اقتصادياً رغم متطلبات المعالجة المعقدة.
منجم سييريتا، أريزونا: تُعد عملية النحاس والموليبدنوم التابعة لشركة Freeport-McMoRan أكبر منتج أمريكي للرينيوم. ويعالج المنجم الضخم المفتوح 100 million tons من الخام سنوياً لاستخراج 10 tons فقط من رينيوم.
تشوكويكاماتا وإل تينيينتي: تحتوي مناجم النحاس العملاقة هذه في جبال الأنديز على موارد تشيلي من رينيوم. وتستخرج عمليات التعدين على ارتفاعات شاهقة رينيوم من مركزات الموليبدنوم في بعض أكبر مجمعات التعدين في العالم.
حزام النحاس التابع لشركة KGHM: تحتوي رواسب النحاس القديمة في بولندا على كميات ضئيلة من رينيوم يُسترد من عمليات صهر النحاس. ويوفر هذا المصدر الأوروبي تنوعاً استراتيجياً في الإمداد لمصنعي الطيران والفضاء.
تسهم روسيا وكازاخستان وبيرو وأرمينيا بكميات أصغر من عمليات النحاس والموليبدنوم. وتحرس كل دولة منتجة رينيوم بوصفه مورداً استراتيجياً.
ترجع ندرة رينيوم الشديدة إلى متطلبات تكوّنه:
يتطلب استخراج رينيوم معالجة كميات هائلة من المواد الحاضنة:
تؤدي ندرة رينيوم الشديدة إلى خلق مواطن ضعف في سلاسل الإمداد:
التعامل
يتميز معدن الرينيوم ومعظم مركبات الرينيوم بسمية منخفضة، ولا يشكلان إلا مخاطر صحية محدودة عند التعامل معهما في الظروف العادية. ومع ذلك، تتطلب قيمته العالية للغاية وتطبيقاته المتخصصة بروتوكولات سلامة محددة لمنع الفقدان وضمان حماية العاملين.
اغسل العينين فوراً بالماء النظيف لمدة 15 دقيقة. أزل العدسات اللاصقة إذا كانت موجودة ويمكن نزعها بسهولة. اطلب العناية الطبية إذا استمر التهيج أو في حال التعرض لمركب كيميائي.
اغسل بالماء والصابون. لا يسبب معدن الرينيوم تهيجاً للجلد عموماً. في حالة المركبات الكيميائية، انزع الملابس الملوثة واغسل المنطقة المصابة جيداً.
انتقل إلى هواء نقي. يتميز الرينيوم بسمية استنشاقية منخفضة، لكن اطلب العناية الطبية إذا ظهرت أعراض تنفسية أو عند التعرض لكميات كبيرة من المركبات.
معدن الرينيوم غير قابل للاحتراق، لكن المساحيق الناعمة قد تحترق. استخدم مطفأة حرائق من الفئة D لحرائق المعادن. قد يؤدي الماء إلى انتشار جزيئات المعدن المشتعلة.
يتطلب تصنيع مكونات المحركات النفاثة اتباع بروتوكولات الغرف النظيفة لمنع التلوث. وقد تؤثر الشوائب النزرة في أداء الرينيوم في تطبيقات السبائك الفائقة.
يتضمن تحضير المحفزات مذيبات وعوامل اختزال قد تكون خطرة. اتبع بروتوكولات السلامة الخاصة بصناعة البترول عند التعامل مع المحفزات وتجديدها.
تتطلب التجارب ذات درجات الحرارة العالية باستخدام الرينيوم معدات سلامة متخصصة. راقب تكون الأكاسيد المتطايرة في الأجواء المؤكسدة التي تزيد على 400°C.
إجابات سريعة
رينيوم (رمزه Re) هو العنصر 75 في الجدول الدوري، وينتمي إلى فلز انتقالي في الدورة 6 والمجموعة 7. أحد أندر العناصر في القشرة الأرضية، وهو الفلز الذي يسمح لتوربينات الطائرات النفاثة بالعمل عند درجات حرارة أعلى. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s²، ويشغل 6 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 32, 13, 2.ينصهر رينيوم عند 3459 K (3185.9 °C) ويغلي عند 5869 K (5595.9 °C). وهذا يضعه بين أكثر العناصر مقاومة للحرارة — إذ يظل صلبًا عند درجات حرارة تُبخّر معظم الفلزات.
تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ رينيوم 186.207 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.
تبلغ كثافة رينيوم مقدار 21.02 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من رينيوم أثقل بنحو 21×.
تبلغ كهروسلبية رينيوم وفق مقياس باولنغ 1.9. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تميل القيم ضمن هذا النطاق المتوسط إلى تكوين روابط تساهمية بدلًا من الروابط الأيونية القوية.
اكتُشف رينيوم في 1925 على يد Noddack, Tacke & Berg. سُمّي على اسم rhenus باللاتينية، نهر الراين.
يشكّل رينيوم حوالي 7.00e-4 mg/kg من قشرة الأرض — وهو نادر فعلًا، ولذلك فهو باهظ الثمن.