What is Рений?
Рений (symbol Re) is element 75 on the periodic table, a переходный металл in period 6, group 7. One of the rarest elements in the crust, and the metal that lets jet turbines run hotter. At room temperature it is a solid.
Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место рений занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 137 pm — that is 0.137 nm, so about 3650 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Рений is liquid over a 2410 K window, from 3459 K to 5869 K.
История
One of the rarest elements in the crust, and the metal that lets jet turbines run hotter.
Открытие рения в 1925 году ознаменовало конец целой эпохи — это был последний стабильный элемент, обнаруженный в природе. Эта эпическая научно-детективная история охватывает три десятилетия, объединяет блестящих немецких химиков и доказывает, что упорство помогает достичь даже самых недостижимых целей в природе.
Периодическая таблица Дмитрия Менделеева предсказывала существование элемента между марганцем и технецием, который он назвал «двимарганцем». В течение 20 лет химики по всему миру лихорадочно искали этот недостающий элемент, анализируя тысячи образцов минералов безуспешно.
Ложные тревоги: Несколько «открытий» оказались ошибочными, включая «ниппоний» из Японии и «мазурий» из Германии. Каждая неудача лишь усиливала загадку — где скрывался элемент 75?
Наследие Генри Мозли направляло поиск. Его работа по рентгеновской кристаллографии показала, что элемент 75 должен испускать характерное рентгеновское излучение, обеспечивая однозначный метод идентификации. Этот прорыв дал химикам инструмент, необходимый для поиска иголки в природном стоге сена.
Вальтер и Ида Ноддак вместе с Отто Бергом совершили невозможное в Берлинском университете. Работая с 660 kg платиновой руды и минералами молибдена, они обнаружили характерный рентгеновский сигнал 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» — Вальтер Ноддак, 1925
Невероятная сложность: В их первом образце содержался всего 1 milligram соединений рения, извлечённых более чем из половины ton руды, — концентрация 0.0002%. На этом фоне поиск конкретного человека в Нью-Йорке кажется лёгкой задачей.
Через три года после открытия Ноддаки наконец выделили 1 gram 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 аналитический химик, впервые применивший рентгеновскую спектроскопию для открытия элементов. Его скрупулёзный подход и революционные методы сделали возможным обнаружение рения, когда другие потерпели неудачу.
Блестящий немецкий физик и первая женщина, открывшая химический элемент. Её знания в области рентгеновской кристаллографии сыграли решающую роль в 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 получить чистый рений из невероятно бедных 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 в следовых количествах, не позволяя ему концентрироваться в доступных для обнаружения месторождениях.
Аналитическая химия 1920-х годов не позволяла обнаруживать количества менее 1 milligram. Только рентгеновская спектроскопия обеспечивала достаточную чувствительность для обнаружения рения.
Даже после обнаружения для получения чистого рения требовалось переработать огромные объёмы руды, проведя десятки стадий химического разделения.
Ноддаки 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 заключается в том, что в реке Рейн нет обнаруживаемого рения — этот элемент слишком редок даже для могучего Рейна.
Ноддаки и представить не могли, что их лабораторная диковинка в конечном итоге будет приводить в действие реактивные двигатели и обеспечит освоение космоса. Их кропотливая работа по идентификации 1 milligram соединений рения положила начало отрасли, которая сегодня приносит миллиарды долларов в год. Каждый коммерческий авиарейс сегодня зависит от их прорыва 1925 года в берлинской лаборатории.
Открытие рения способствовало развитию методов аналитической химии, которые до сих пор используются для обнаружения следовых элементов. Методы рентгеновской спектроскопии Ноддаков превратились в современные приборы, способные обнаруживать отдельные атомы. Их упорство в стремлении к невозможному продолжает вдохновлять учёных, решающих самые сложные исследовательские задачи современности.
Применение
Рений — редчайший стабильный элемент на Земле, более ценный, чем золото и платина вместе взятые. Благодаря исключительной жаростойкости и уникальным каталитическим свойствам этот сверхредкий металл обеспечивает 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 с содержанием рения обеспечивают топливную эффективность, благодаря которой современные авиаперевозки становятся экономически выгодными. 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 галлон премиального бензина обязан своим качеством каталитическим свойствам рения.
Двигатели космических аппаратов используют исключительную стойкость рения к термическому удару в электродах ионных двигателей и системах удержания плазмы. Рений сохраняет структурную целостность при экстремальных температурных циклах космических миссий — от -270°C в тени Земли до +120°C под прямыми солнечными лучами.
Термопары типа C на основе вольфрам-рениевых сплавов измеряют температуры до 2,320°C при аэрокосмических испытаниях, в ядерных реакторах и исследованиях материалов. Эти точные приборы контролируют температуры плазмы термоядерного синтеза и теплозащитных экранов гиперзвуковых аппаратов, где другие датчики мгновенно расплавились бы.
Поглощающие нейтроны свойства рения делают его ценным материалом для регулирующих элементов ядерных реакторов. В исследовательских реакторах рениевые сплавы применяют для компонентов, которые должны сохранять прочность под воздействием интенсивного излучения и одновременно противостоять охрупчиванию, вызванному нейтронами.
Нити для электронной микроскопии, изготовленные из рения, обеспечивают превосходные характеристики при получении изображений со сверхвысоким разрешением. В сканирующих туннельных микроскопах используют атомарно гладкие поверхности рения для достижения беспрецедентного разрешения в исследованиях нанотехнологий.
Мировое производство рения составляет всего 50 тонн в год — меньше массы одного вагона метро. Такая исключительная редкость делает рений стоящим $10,000 за килограмм, однако авиакомпании охотно несут эти расходы, поскольку двигатели, усиленные рением, за весь срок службы экономят миллионы на топливе и техническом обслуживании.
Для реакторов термоядерного синтеза потребуются рениевые сплавы 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 армированные рением композиты из углеродных нанотрубок.
Несмотря на то что рений — самый редкий стабильный элемент, он влияет на повседневную жизнь благодаря технологиям, использующим его исключительные свойства. Большинство людей пользуются преимуществами рения, даже не подозревая о его существовании.
Вы никогда не увидите рений напрямую, но именно он помогает существовать современному миру:
Ежегодное мировое производство рения (50 тонн) поместилось бы в небольшом складском помещении, однако этого крошечного количества достаточно для:
Итог: Рений доказывает, что даже самые редкие материалы могут оказывать огромное влияние при стратегическом использовании в высокоценных областях.
Откуда он берётся
7.00e-4 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 31% of elements
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 зрительских мест.
Рений был последним открытым природным элементом (1925), 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) в количестве 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, которое концентрируется в пыли из газоходов плавильных печей. Для извлечения килограммов рения необходимо переработать тысячи тонн пыли — это всё равно что искать иголки в стогах сена.
Отработавшие детали реактивных двигателей подвергаются интенсивной переработке, чтобы извлечь каждый грамм рения. Исключительно высокая стоимость металла делает переработку экономически привлекательной, несмотря на сложность технологического процесса.
Рудник Sierrita, Аризона: медно-молибденовое предприятие Freeport-McMoRan — крупнейший производитель рения в США. В огромном открытом карьере ежегодно перерабатывают 100 миллионов тонн руды, чтобы получить всего 10 тонн рения.
Chuquicamata и El Teniente: в этих гигантских медных рудниках в Андах сосредоточены ресурсы рения Чили. На высотных горнодобывающих предприятиях рений извлекают из молибденовых концентратов в составе одних из крупнейших горнодобывающих комплексов мира.
Медный пояс KGHM: древние медные месторождения Польши содержат следовые количества рения, который извлекают при плавке меди. Этот европейский источник обеспечивает стратегическое разнообразие поставок для производителей аэрокосмической техники.
Россия, Казахстан, Перу и Армения поставляют меньшие объёмы рения с медных и молибденовых предприятий. Каждая страна-производитель охраняет свои запасы рения как стратегический ресурс.
Исключительная редкость рения обусловлена условиями его образования:
Для извлечения рения необходимо перерабатывать огромные объёмы исходных материалов:
Исключительная редкость рения создаёт уязвимости в цепочке поставок:
Обращение
Металлический рений и большинство соединений рения обладают низкой токсичностью и при обычных условиях обращения представляют минимальную опасность для здоровья. Однако его чрезвычайно высокая стоимость и специализированное применение требуют соблюдения определённых протоколов безопасности для предотвращения потерь и защиты работников.
Немедленно промывайте глаза чистой водой в течение 15 минут. Снимите контактные линзы, если они есть и их можно легко снять. Обратитесь за медицинской помощью, если раздражение не проходит или имел место контакт с химическим соединением.
Промойте кожу водой с мылом. Металлический рений обычно не вызывает раздражения кожи. При попадании химических соединений снимите загрязнённую одежду и тщательно промойте поражённый участок.
Выйдите на свежий воздух. Рений обладает низкой токсичностью при вдыхании, однако обратитесь за медицинской помощью при появлении симптомов со стороны дыхательной системы или после значительного воздействия соединений.
Металлический рений не горюч, но мелкие порошки могут воспламеняться. Для тушения пожаров металлов используйте огнетушитель класса D. Вода может способствовать распространению горящих частиц металла.
Изготовление компонентов реактивных двигателей требует соблюдения протоколов для чистых помещений, чтобы предотвратить загрязнение. Следовые примеси могут ухудшить характеристики рения при его использовании в суперсплавах.
Подготовка катализаторов включает работу с потенциально опасными растворителями и восстановителями. Соблюдайте протоколы безопасности нефтяной промышленности при обращении с катализаторами и их регенерации.
Высокотемпературные эксперименты с рением требуют специализированного защитного оборудования. Следите за образованием летучих оксидов в окислительных атмосферах при температуре выше 400°C.
Краткие ответы
Рений (symbol Re) is element 75 on the periodic table, a переходный металл in period 6, group 7. One of the rarest elements in the crust, and the metal that lets jet turbines run hotter. At room temperature it is a solid.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 32, 13, 2 electrons respectively.Рений melts at 3459 K (3185.9 °C) and boils at 5869 K (5595.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.
The standard atomic weight of Рений is 186.207 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Рений has a density of 21.02 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of рений is about 21× heavier.
Рений has a Pauling electronegativity of 1.9. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
Рений was discovered in 1925 by Noddack, Tacke & Berg. It is named after latin Rhenus, the river Rhine.
Рений makes up about 7.00e-4 mg/kg of the Earth's crust — genuinely rare, which is why it is expensive.