Re · Элемент 75 · Переходный металл
Один из самых редких элементов в земной коре и металл, позволяющий реактивным турбинам работать при более высокой температуре.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение рений среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 137 pm — это 0,137 нм, поэтому около 3,65 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Рений находится в жидком состоянии в диапазоне 2410 K — от 3459 K до 5869 K.
Положение
История
Один из самых редких элементов в земной коре и металл, позволяющий реактивным турбинам работать при более высокой температуре.
Открытие рения в 1925 году ознаменовало конец эпохи — это был последний стабильный элемент, обнаруженный в природе. Эта эпическая научная детективная история продолжалась три десятилетия, в ней участвовали выдающиеся немецкие химики, и она доказала, что настойчивость помогает достигать даже самых elusive целей в природе.
Периодическая таблица Дмитрия Менделеева предсказывала существование элемента между марганцем и технецием, который он назвал «двимарганцем». В течение 20 лет химики всего мира отчаянно искали этот недостающий фрагмент головоломки, анализируя тысячи образцов минералов, но безуспешно.
Ложные тревоги: Несколько «открытий» оказались ошибочными, включая «ниппоний» из Японии и «мазурий» из Германии. Каждая неудача лишь усиливала тайну — где скрывался элемент 75?
Наследие Henry Moseley направляло поиск. Его работа по рентгеновской кристаллографии показала, что элемент 75 должен испускать характерное рентгеновское излучение, обеспечив надёжный метод идентификации. Этот прорыв дал химикам инструмент, необходимый для поиска иголки в природном стоге сена.
Walter и Ida Noddack вместе с Otto Berg совершили невозможное в Берлинском университете. Работая с 660 кг платиновой руды и молибденовыми минералами, они обнаружили характерную рентгеновскую сигнатуру элемента 75 с помощью своих революционных спектроскопических методов.
«Нам удалось доказать существование элемента 75. Мы предлагаем назвать его рением в честь реки Рейн, протекающей по нашей немецкой родине» — Walter Noddack, 1925
Невероятная сложность задачи: В первом образце содержался лишь 1 миллиграмм соединений рения, извлечённых более чем из половины тонны руды, — концентрация 0,0002%. Для сравнения: найти конкретного человека в Нью-Йорке кажется простой задачей.
Через три года после открытия Noddack наконец выделили 1 грамм чистого металлического рения восстановлением перрената аммония водородом. Этот крошечный образец, стоивший дороже золота, подтвердил уникальные свойства рения и положил начало десятилетиям исследований его применения.
Немецкий химик-аналитик, впервые применивший рентгеновскую спектроскопию для открытия элементов. Его тщательный подход и революционные методы сделали обнаружение рения возможным, когда другие потерпели неудачу.
Выдающийся немецкий физик и первая женщина, открывшая химический элемент. Её опыт в рентгеновской кристаллографии имел решающее значение для идентификации рения. Она также предсказала ядерное деление за 50 лет до его подтверждения.
Немецкий химик, специализировавшийся на выделении редких элементов. Его знания в области химической переработки позволили выделить чистый рений из чрезвычайно разбавленных руд.
При содержании 0,7 частей на миллиард в земной коре рений практически невозможно обнаружить обычными методами анализа. Большинство образцов минералов вообще не содержат рения.
Рений не образует собственных минералов, а случайным образом замещает другие элементы на уровне следовых концентраций, не позволяя ему накапливаться в доступных для обнаружения месторождениях.
Аналитическая химия 1920-х годов не позволяла обнаруживать количества меньше миллиграмма. Только рентгеновская спектроскопия обеспечивала достаточную чувствительность для обнаружения рения.
Даже после обнаружения для получения чистого рения требовалось переработать огромное количество руды, выполнив десятки стадий химического разделения.
Noddack выбрали название «рений» в честь реки Рейн (Rhenus на латыни), протекающей по их немецкой родине. Это патриотическое название отражало сильную национальную гордость научными достижениями в 1920-х годах. Ирония в том, что в реке Рейн нет обнаруживаемого рения — этот элемент слишком редок даже для могучего Рейна.
Noddack и представить не могли, что их лабораторная диковинка со временем будет использоваться в реактивных двигателях и сделает возможным освоение космоса. Их кропотливая работа по идентификации 1 миллиграмма соединений рения положила начало отрасли, которая сегодня приносит миллиарды долларов в год. Каждый коммерческий авиарейс сегодня зависит от их прорыва, совершённого в 1925 году в берлинской лаборатории.
Открытие рения заложило основы методов аналитической химии, которые до сих пор применяются для обнаружения элементов в следовых количествах. Методы рентгеновской спектроскопии Noddack превратились в современные приборы, способные обнаруживать отдельные атомы. Их настойчивость в стремлении решить невозможную задачу продолжает вдохновлять учёных, работающих над самыми сложными исследовательскими проблемами современности.
Применение
Рений — редчайший стабильный элемент на Земле, более ценный, чем золото и платина вместе взятые. Благодаря исключительной жаропрочности и уникальным каталитическим свойствам этот сверхредкий металл позволяет создавать самые требовательные технологии человечества.
Коммерческая авиация полностью зависит от способности рения упрочнять никелевые сверхсплавы в лопатках реактивных турбин. Работая при температуре 1,600°C в ревущих турбовентиляторных двигателях, лопатки, содержащие рений, обеспечивают топливную эффективность, благодаря которой современные авиаперевозки становятся экономически жизнеспособными. Один двигатель Boeing 777 содержит 6 kg рения.
Рениево-платиновые катализаторы произвели революцию в производстве бензина благодаря каталитическому риформингу. Эти катализаторы повышают октановое число и одновременно сокращают вредные выбросы, превращая сырую нефть в высокоэффективное топливо. Каждая единица высокооктанового бензина обязана своим качеством каталитическим свойствам рения.
Двигатели космических аппаратов используют исключительную устойчивость рения к термическим ударам для электродов ионных двигателей и удержания плазмы. Рений сохраняет структурную целостность при экстремальных перепадах температуры во время космических миссий: от -270°C в тени Земли до +120°C под прямыми солнечными лучами.
Термопары типа C из вольфрам-рениевых сплавов измеряют температуры до 2,320°C при аэрокосмических испытаниях, в ядерных реакторах и исследованиях материалов. Эти прецизионные приборы контролируют температуру плазмы в термоядерных установках и теплозащитных экранов гиперзвуковых аппаратов, где другие датчики мгновенно расплавились бы.
Поглощающие нейтроны свойства рения делают его ценным материалом для управляющих элементов ядерных реакторов. В исследовательских реакторах рениевые сплавы используют для компонентов, которые должны сохранять прочность при интенсивном облучении и одновременно противостоять охрупчиванию под воздействием нейтронов.
Нити для электронной микроскопии из рения обеспечивают превосходные характеристики при получении изображений со сверхвысоким разрешением. В сканирующих туннельных микроскопах рениевые наконечники используют атомарно гладкие поверхности рения, достигая беспрецедентного разрешения в исследованиях нанотехнологий.
Мировое производство рения составляет всего 50 tons в год — меньше массы одного вагона метро. Такая чрезвычайная редкость делает рений стоимостью $10,000 за kilogram, однако авиакомпании охотно несут эти расходы, поскольку двигатели, усиленные рением, за весь срок службы экономят миллионы на топливе и техническом обслуживании.
Термоядерным реакторам потребуется рениевый сплав для обращённых к плазме компонентов, которые должны выдерживать нейтронную бомбардировку при температуре 1,000°C. Двигатели гиперзвуковых летательных аппаратов, работающие на скорости Mach 5+, будут зависеть от термической стабильности рения, а в космических лифтах могут использоваться композиты из углеродных нанотрубок, упрочнённых рением.
Несмотря на то что рений — самый редкий стабильный элемент, он влияет на повседневную жизнь благодаря технологиям, зависящим от его исключительных свойств. Большинство людей пользуется преимуществами рения, даже не подозревая о его существовании.
Вы никогда не увидите рений напрямую, но именно он помогает существовать современному миру:
Ежегодный мировой объём производства рения (50 тонн) поместился бы в небольшом складском помещении, однако этого ничтожного количества хватает для:
Итог: Рений доказывает, что даже самые редкие материалы могут оказывать огромное влияние при стратегическом использовании в высокоценных областях.
Откуда он происходит
7,00e-4 мг/кг земной коры · более распространён, чем 31% элементов
Рений считается самым редким стабильным элементом в земной коре: его распространённость составляет всего 0,7 части на миллиард. Чтобы понять, насколько он редок:
Аналогия: если бы земная кора была футбольным стадионом, рений можно было бы сравнить с одной конкретной песчинкой среди всех сидений.
Рений был последним обнаруженным природным элементом (1925), и не потому, что учёные его не искали, а потому, что найти его практически невозможно. Даже сегодня, 98 лет спустя, рений настолько редок, что большинство студентов-геологов заканчивают обучение, ни разу не увидев чистый образец.
Рений не образует собственных минералов в промышленных количествах. Вместо этого он замещает молибден в молибдените (MoS₂) на уровне 0,001–0,2%. Из каждой тонны молибденового концентрата после сложной переработки получают всего 1–2 кг рения.
Некоторые медные руды содержат следовые количества рения, которые концентрируются в пыли из газоходов плавильных печей. Для извлечения килограммов рения приходится перерабатывать тысячи тонн пыли — это всё равно что искать иголки в стогах сена.
Отработавшие компоненты реактивных двигателей подвергают интенсивной переработке, чтобы извлечь каждый грамм рения. Чрезвычайно высокая стоимость металла делает переработку экономически привлекательной, несмотря на сложность процесса.
Рудник Сьеррита, Аризона: медно-молибденовое предприятие Freeport-McMoRan — крупнейший производитель рения в Америке. Огромный карьер ежегодно перерабатывает 100 миллионов тонн руды, чтобы получить всего 10 тонн рения.
Чукикамата и Эль-Теньенте: эти гигантские медные рудники в Андах содержат запасы рения Чили. Высокогорные горнодобывающие предприятия извлекают рений из молибденовых концентратов в составе одних из крупнейших в мире горнодобывающих комплексов.
Медоносный пояс KGHM: древние медные месторождения Польши содержат следовые количества рения, извлекаемого при переработке меди. Этот европейский источник обеспечивает стратегическое разнообразие поставок для производителей аэрокосмической техники.
Россия, Казахстан, Перу и Армения поставляют меньшие количества рения с медных и молибденовых предприятий. Каждая страна-производитель охраняет свои запасы рения как стратегический ресурс.
Чрезвычайная редкость рения объясняется условиями его образования:
Для извлечения рения необходимо перерабатывать огромные объёмы исходных материалов:
Чрезвычайная редкость рения создаёт уязвимости в цепочках поставок:
Обращение
Металлический Рений и большинство соединений рения обладают низкой токсичностью и представляют минимальную опасность для здоровья при нормальных условиях обращения. Однако его чрезвычайно высокая стоимость и специализированное применение требуют соблюдения особых протоколов безопасности для предотвращения потерь и обеспечения защиты работников.
Немедленно промывайте чистой водой в течение 15 минут. Снимите контактные линзы, если они установлены и их можно легко снять. Обратитесь за медицинской помощью, если раздражение сохраняется или произошло воздействие химического соединения.
Промойте водой с мылом. Металлический Рений обычно не вызывает раздражения кожи. При попадании химических соединений снимите загрязненную одежду и тщательно промойте пораженный участок.
Выйдите на свежий воздух. Рений обладает низкой токсичностью при вдыхании, однако обратитесь за медицинской помощью при появлении симптомов со стороны дыхательных путей или после значительного воздействия соединений.
Металлический Рений не горюч, однако мелкодисперсные порошки могут гореть. Для тушения металлических пожаров используйте огнетушитель класса D. Вода может привести к распространению горящих частиц металла.
Изготовление компонентов реактивных двигателей требует соблюдения протоколов чистых помещений для предотвращения загрязнения. Следовые примеси могут ухудшить характеристики рения при использовании в суперсплавах.
Приготовление катализаторов связано с потенциально опасными растворителями и восстановителями. Соблюдайте протоколы безопасности нефтяной промышленности при обращении с катализаторами и их регенерации.
Высокотемпературные эксперименты с рением требуют специализированного оборудования для обеспечения безопасности. Контролируйте образование летучих оксидов в окислительных атмосферах при температурах выше 400°C.
Краткие ответы
Рений (символ Re) — элемент 75 в периодической таблице, представитель семейства переходный металл в 6 периоде, 7 группе. Один из самых редких элементов в земной коре и металл, позволяющий реактивным турбинам работать при более высокой температуре. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 13, 2.Рений плавится при 3459 K (3185.9 °C) и кипит при 5869 K (5595.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Рений составляет 186.207 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Рений составляет 21.02 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Рений примерно в 21× тяжелее.
Электроотрицательность Рений по шкале Полинга составляет 1.9. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Рений был открыт в 1925 году Noddack, Tacke & Berg. Назван в честь латинское Rhenus, река Рейн.
На долю Рений приходится около 7.00e-4 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.