Для чего используется рений. Рений — происхождение, свойства и область применения

Рений (от латинского Rhenium) в периодической системе Дмитрия Ивановича Менделеева обозначается символом Re. Рений - химический элемент побочной подгруппы седьмой группы, шестого периода; его атомный номером 75, а атомный вес 186,21. В свободном состоянии семьдесят пятый элемент - тяжелый (только осмий, иридий и платина по плотности немного превосходят рений), прочный, тугоплавкий светло-серый металл, довольно пластичный (его можно прокатывать, ковать, вытягивать в проволоку), по внешнему виду напоминающий платину. Естественно, что пластичность рения, как и большинства других металлов, зависит от чистоты.

Известно тридцать четыре изотопа рения от 160Re до 193Re. Природный рений состоит из двух изотопов - 185Re (37,40 %) и 187Re (62,60 %). Единственный стабильный изотоп - 185Re, изотоп 187Re радиоактивен (испытывает β-распад), но период полураспада огромен - 43,5 миллиарда лет. Испуская β-лучи, 187Re превращается в осмий.

История открытия семьдесят пятого элемента весьма протяженная по времени: еще в 1871 году Д. И. Менделеев говорил, что в природе «обязаны» существовать два химических аналога марганца, которые в периодической системе должны располагаться под ним, занимая пустовавшие в то время клетки № 43 и 75. Менделеев условно назвал эти элементы эка-марганцем и дви-марганцем. Многие пытались заполнить пустующие клетки, однако ни к чему, кроме отработанных вариантов, это не привело. Правда, для химиков XX века круг поисков значительно сузился благодаря стараниям многих ученых со всего мира.

Результата добились немецкие химики - супруги Вальтер и Ида Ноддак, занявшиеся данной проблемой в 1922 году. Проделав колоссальную работу по рентгеноспектральному анализу более чем полутора тысяч минералов, Вальтер и Ида в 1925 году заявили об открытии недостающих элементов, сорок третья позиция в периодической системе, по их мнению, должна была заняться «мазурием», а семьдесят пятая - «рением». Проверить достоверность научного открытия вызвался известный немецкий химик Вильгельм Прандтль. Жаркая полемика продолжалась долго, результатом которой была патовая ситуация - убедительных доказательств в отношении мазурия супруги Ноддак представить не смогли, зато рений в 1926 году был уже выделен в количестве двух миллиграмм! Кроме того, открытие нового элемента подтверждали независимые работы других ученых, которые всего на несколько месяцев позже супругов Ноддак начали свои поиски семьдесят пятого элемента. Однако новому семьдесят пятому элементу было суждено получить имя от своих первооткрывателей, которые назвали его в честь Рейнской провинции Германии - родины Иды Ноддак.

Большая часть получаемого рения расходуется на создание сплавов, обладающих особыми свойствами. Так, рений и его сплавы с молибденом и вольфрамом применяются в производстве электрических ламп и электровакуумных приборов - ведь они имеют больший срок службы и являются более прочными, чем вольфрам. Из сплавов вольфрама с семьдесят пятым элементом изготовляют термопары, которые можно использовать в интервале температур от 0 до 2 500 °C. Жаропрочные и тугоплавкие сплавы рения с вольфрамом, танталом, молибденом применяются при изготовлении некоторых ответственных деталей. Семьдесят пятый элемент используется при изготовлении нитей накала в масс-спектрометрах и ионных манометрах. Рений и некоторые его соединения служат катализаторами при окислении аммиака и метана, гидрировании этилена. Кроме того, из рения делают самоочищающиеся электрические контакты, а также этот редкий и весьма ценный элемент используется при изготовлении реактивных двигателей.

Биологические свойства

О биологических свойствах семьдесят пятого элемента известно очень мало. Возможно, данный факт связан с поздним открытием этого металла, и в дальнейшем человечество сможет сказать нечто более определенное по поводу биологической роли рения в живых организмах. Сейчас утверждается, что участие рения в биохимических процессах маловероятно.

Весьма слабо изучена токсичность рения и его соединений, известно лишь, что растворимые соединения рения мало токсичны. Пыль металлического рения не вызывает интоксикации, а при введении через органы дыхания приводит к слабо текущему фиброзу. Семиокись рения Re2O7 более токсична, чем металлическая пыль рения. При концентрации ее в воздухе 20 мг/м3 однократное действие вызывает острый процесс в легких; при концентрации 6 мг/м3 (при постоянном действии) появляется слабо выраженная интоксикация. Во всяком случае, при работе с соединениями рения следует быть осторожным. Экспериментальному токсикологическому изучению подвергались лишь перренаты калия и натрия и некоторые хлористые соединения рения. При этом, введенный в организм рений спустя 1-1,5 часа обнаруживается в органах, накапливаясь (подобно элементам VII группы) в щитовидной железе. Тем не менее, рений быстро выводится из организма: через сутки выводится 9,2 % от всего поступившего, спустя 16 суток - 99 %. Перренат калия не оказал токсического действия при внутрибрюшном введении лабораторным белым мышам в количестве 0,05-0,3 мг. Внутрибрюшное введение NaReO4 в количестве 900-1000 мг/кг вызывало смерть лабораторных крыс. У собак при внутривенном введении 62-86 мг NaReO4 наблюдалось кратковременное повышение артериального давления. Определенно большей токсичностью обладают хлориды рения.

На фоне этих скудных исследований токсикологии рения и его соединений куда важнее выглядят другие научные изыскания, связанные с семьдесят пятым элементом. Речь идет о разработках новейших технологий получения различных медицинских изотопов. Ведь уже известно, что достижения в области ядерной медицины позволяют не только осуществлять уникальную диагностику, но и излечивать тяжелые заболевания.

В этой связи особого внимания заслуживает рений-188. Этот изотоп относится к числу так называемых «волшебных пуль». Препараты на его основе, позволяют осуществлять радионуклидную диагностику новообразований скелета, метастаз опухолей различной локализации в кости, воспалительных заболеваний опорно-двигательного аппарата. Этот радионуклид имеет очень хорошие характеристики для терапии: период полураспада семнадцать часов, β-излучение с пробегом в ткани около 0,5 см, а наличие γ-излучения с энергией 155 кэВ позволяет с использованием γ-камер осуществлять «слежение» за радиофармпрепаратом. Весьма существенно, что помимо терапевтического действия радиофармпрепараты с рением-188 значительно уменьшают болевые синдромы при метастазах в скелете. Более того, применение терапевтических препаратов на основе рения-188 позволяет препятствовать тромбообразованию. И что самое главное - рений-188 не имеет аналогов за рубежом, является научной разработкой российских ученых, а следовательно, он более доступен.

Препарат получают в Радиевом институте имени В. Г. Хлопина с использованием генератора, где в качестве исходного радиоизотопа применяется 188W с периодом полураспада 69 дней. Вольфрам-188 образуется при облучении нейтронами изотопа вольфрама-186. Работы по созданию централизованного генератора 188Re на основе центробежного экстрактора в Радиевом институте были начаты в 1999 г. совместно с НИКИМТ. Исследования, проведенные на высокоактивных растворах, показали хорошие перспективы создания экстракционного генератора 188Re: выход рения составляет более 85 %; радиохимическая чистота более 99 %.

Своим именем семьдесят пятый элемент обязан реке Рейн (стоит отметить, что ни одной другой реке нашей планеты химики и физики не оказали столь высокой чести) и Рейнской области - родине Иды Ноддак (Такке). Впрочем, здесь же сам рений впервые и увидел свет - промышленное производство нового металла развернулось в начале 30-х годов в Германии, где были найдены молибденовые руды с высоким содержанием рения - сто грамм на тонну. Что касается якобы открытого супругами Ноддак сорок третьего элемента - «мазурия», то, считается, что своё имя он получил в честь Мазурской области - родины Вальтера Ноддака (на самом деле, Ноддак родился в Берлине, учился и работал в Берлинском университете). Открытие «мазурия» не было подтверждено, а в последствии этот элемент был синтезирован искусственно и получил название «технеций».

Возможно выбор имен совпадение, однако некоторые историки химии считают, что оба названия содержат большую долю национализма: рейнская область и мазурские озера оказались во время первой мировой войны местами крупных удачных для германских войск сражений. Вполне вероятно, что несуществующий элемент был назван в честь победы немецких войск в 1914 году над русской армией генерала Самсонова у Мазурских болот.

Известно, что существует рений-осмиевый метод определения возраста минералов. С его помощью был определен возраст молибденитов из месторождений Норвегии и Чили. Оказалось, что норвежские молибдениты в большинстве случаев образовались примерно 700-900 миллионов лет назад. Молибдениты Чили (из месторождения Сан-Антонио) намного моложе: их возраст всего 25 миллионов лет.

Нам хорошо известны такие способы борьбы с коррозией, как хромирование, никелирование, цинкование, однако, вы наверняка не слышали о ренировании, ведь процесс этот сравнительно новый, однако весьма действенный - тончайшие рениевые покрытия по стойкости не знают себе равных. Они надежно защищают различные детали от действия кислот, щелочей, морской воды, сернистых соединений и многих других опасных для металла веществ. Цистерны и баки, изготовленные из ренированных стальных листов, применяют, например, для перевозки соляной кислоты.

Ренирование позволяет в несколько раз продлить срок службы вольфрамовых нитей в электролампах, электронных трубках, электровакуумных приборах. После откачки воздуха в полости электролампы неизбежно остаются следы кислорода и водяных паров; они же всегда присутствуют и в газонаполненных лампах. На вольфрам эти нежелательные примеси действуют разрушающе, но если покрыть нити рениевой «рубашкой», то водород и пары воды уже не в силах причинить вольфраму вред. При этом расход рения совсем невелик: из одного грамма можно получить сотни метров ренированной вольфрамовой нити.

Особый интерес металлургов и металловедов вызывает «рениевый эффект» - благотворное влияние рения на свойства вольфрама и молибдена (Re повышает одновременно и прочность, и пластичность Mo и W). Данное явление было открыто в Англии в 1955 году, тем не менее, природа «рениевого эффекта» еще недостаточно изучена. Предполагается, что в процессе производства в вольфрам и молибден иногда проникает «инфекция» углерода. Поскольку в твердом состоянии эти металлы совершенно не растворяют углерод, ему ничего не остается, как расположиться в виде тончайших карбидных пленок по границам кристаллов. Именно эти пленки и делают металл хрупким. У рения же с углеродом иные «взаимоотношения»: если его добавить к вольфраму или молибдену, то ему удается удалить углерод с пограничных участков и перевести в твердый раствор, где тот практически безвреден.

Нашей стране уже известны истории попыток «сравнительно честного» отъёма ценных ресурсов. Не обошли стороной и столь редкий элемент, как рений. В 1929 году крупная западная фирма обратилась к директору одного из металлургических заводов Сибири с выгодным, как казалось, предложением - продать ей отвалы пустой породы, скопившиеся около заводской территории. Заподозрив подвох, директор завода распорядился провести экспертизу якобы пустой породы. И действительно, оказалось, что отвалы содержат редчайший металл рений, открытый за несколько лет до описываемых событий. Поскольку мировое производство рения измерялось в то время буквально граммами, цена на него была поистине фантастической!

Другой пример попыток подобного «изъятия» происходит в наше время - в 1992 году сотрудники Института экспериментальной минералогии и Института геологии рудных месторождений, производя режимное наблюдение на вулканах Южнокурильской гряды и на вершине вулкана Кудрявый на острове Итуруп в местах выхода вулканического газа, обнаружили новый минерал - рениит. Напоминающий молибденит, сульфид рения содержит до 80 % редкого металла, а ведь это уже заявка на возможность промышленного использования рениита для получения рения! И хотя сульфида рения в самом вулкане накопилось немного (10-15 тонн), однако учеными подсчитано, что ежегодно с газами вулкан выбрасывает в атмосферу до 20 тонн рения, а уж как уловить ценный металл из этих газов наука знает давно. Не связано ли это с новой волной территориальных претензий Японии?

История

Открытие периодического закона позволило предположить существование элементов, ранее не обнаруженных, но которые просто «должны» были существовать и занимать отведенные им места в таблице. Некоторые из таких элементов даже были подробно описаны: «экабор» (скандий), «экаалюминий» (галлий) и «экасилиций» (германий). Что касается недостающих элементов VII группы - аналогов марганца, то их существование в 1871 году предположил сам автор периодической системы - Д.И. Менделеев. Дмитрий Иванович назвал отсутствующие элементы № 43 и № 75 подгруппы марганца «экамарганцем» и «двимарганцем» (от санскритских «эка» - один и «дви» - два). Сообщения об открытии этих элементов (уралий, люций, плюраний, ильмений, ниппоний, дэвий) стали появляться довольно скоро, однако ни одно не подтверждалось на деле. Единственным исключением можно назвать дэвий, открытый русским ученым С. Керном и названный в честь знаменитого английского химика Г. Дэви. Этот элемент давал реакцию, которую и в наше время используют в аналитической химии для определения рения. Однако сообщение С. Керна не приняли всерьез, потому что повторить его опыты не удалось…

Период неопределенности продолжался довольно долго, пока поиском марганцевых эквивалентов не занялись немецкие ученые-химики Вальтер Ноддак и Ида Такке, ставшая позже супругой Ноддака. Прекрасно зная законы периодической системы, немецкие химики удостоверились в том, что найти элемент под номером 75 будет нелегко, ведь в природе элементы с нечетными атомными номерами распространены всегда меньше, чем их соседи слева и справа. Так как элементы № 74 и № 76 (вольфрам и осмий) довольно редки, то, следовало предположить, что элемент № 75 распространен еще меньше. Зная, что содержание осмия в земной коре составляет величину порядка 10-6 %, Вальтер и Ида Ноддак предположили, что для элемента № 75 следовало ожидать величины еще меньшей, примерно 10-7 %.

Поиски столь редкого элемента начались с изучения платиновых руд, а также редкоземельных минералов - колумбита и гадолинита. Правда, от платиновых руд вскоре пришлось отказаться - слишком дорогой материал для изучения, однако работы это не убавило - более доступных руд для исследования хватало. Супруги Ноддак и их помощник Отто Берг работали, не покладая рук: изо дня в день им приходилось выделять из каждого нового элемента доступные для рентгеноскопического исследования препараты, что требовало многократного повторения однообразных и долгих операций - растворения, выпаривания, выщелачивания, перекристаллизации. Три года тяжелой кропотливой работы, более 1 600 проверенных образцов, и вот, наконец, в рентгеновском спектре одной из фракций колумбита были обнаружены пять новых линий, принадлежащих элементу № 75! Новый элемент получил имя «рений» - в честь реки Рейн и Рейнской провинции, родины Иды Ноддак. Об открытии «двимарганца» группа немецких ученых во главе с Идой и Вальтером Ноддак сообщила в Нюрнберге в собрании немецких химиков 5 сентября 1925 года, а уже в следующем году они выделили из минерала молибденита MoS2 первые два миллиграмма рения.

Несколько месяцев спустя вслед за открытием супругов Ноддак чешский химик И. Друце и англичанин Ф. Лоринг сообщили об открытии элемента № 75 в марганцевом минерале пиролюзите МnO2. Кроме того, чешские ученые Я. Гейровский и В. Долейжек установили наличие следов рения в неочищенных марганцевых препаратах с помощью изобретенного Я. Гейровским полярографа, позже Долейжек подтвердил наличие нового элемента рентгенографическими исследованиями.

Таким образом, рений стал последним элементом, обнаруженным в природных минералах - в дальнейшем пустые клетки периодической системы заполнялись искусственно полученными элементами (с помощью ядерных реакций).

Нахождение в природе

Рений - редчайший и весьма сильно рассеянный элемент, по современным оценкам (по версии академика А.П. Виноградова) его кларк (среднее содержание в природе) в земной коре равен 7 10–8 % (по массе), что еще меньше, чем предполагалось ранее (1 10–7 %). Кларк рения меньше, чем кларк любого металла из группы платиноидов или лантаноидов, считающихся одними из самых редких. На самом деле, если не принимать во внимание кларки инертных газов в земной коре, то можно назвать рений самым редким из элементов со стабильными изотопами. Чтобы понять насколько этот элемент редкий лучше всего сравнить его с другими металлами, например, золота в природе в 5 раз больше, серебра в 100 раз больше, чем рения; вольфрам в 1 000 раз распространеннее семьдесят пятого элемента, а марганец в 900 000 раз!

Рений (за редкими исключениями) не образует собственных минералов, а лишь сопутствует минералам различных элементов - от повсеместно распространенного пирита до редких платиновых руд. Следы его находят даже в бурых углях. Собственные минералы рения (к примеру, джезказганит, Pb4Re3Mo3S16) настолько редки, что представляют не промышленный, а скорее научный интерес. Джезказганит был обнаружен в джезказганских медных и медно-свинцово-цинковых рудах, разрабатываемых вблизи казахского города Джезказган (современное название - Жезказган). Минерал представляет собой тонкие прожилки (вкрапления в породу) длиной не больше 0,1 мм; исследования советских ученых установили, что джезказганит содержит сульфид рения, а также сульфиды молибдена и свинца.

Самым богатым промышленным рений содержащим минералом является молибденит MoS2, в котором находят до 1,88 % рения, это легко объясняется ярко выраженным геохимическим сходством рения и молибдена: оба металла проявляют одинаково высокое сродство к сере, высшие галогениды молибдена и рения обладают повышенной летучестью и близкой реакционной способностью. Кроме того, ионные радиусы четырехзарядных ионов Re4+ и Mo4+ практически одинаковы. Однако молибденит не единственный минерал, содержащий семьдесят пятый элемент - довольно велико содержание рения в минералах гранитных пегматитов (цирконе, альвите, колумбите, танталите, гадолините и других), в которых рений заключен в виде тонко рассеянных сульфидов. Этот металл есть в медистых песчаниках (группа месторождений Джезказганского региона в Казахстане), медно-молибденовых и полиметаллических рудах, в колчеданах, он обнаружен и в минералах платины и вольфрама. Отмечается накопление рения, наряду с другими тяжелыми металлами, в битуминозных остатках.

Относительно велико содержание рения в метеоритном железе - 0,01 г/т, что значительно превышает кларк рения в земной коре. Зато в минералах своего аналога - марганца, рений почти не содержится! Причиной такого отсутствия является, скорее всего, заметное различие в радиусах ионов Mn2+, Mn3+ и Re4+. Казалось бы - рений находят во многих рудных месторождениях - следовательно, не так уж и редок этот элемент, однако еще не известно ни одного месторождения, промышленную ценность которого определял бы только рений. Почти всегда рения в таких рудах очень мало - от миллиграммов до нескольких граммов на тонну. Его повсеместное присутствие объясняется миграцией в земной коре. В подземных водах содержатся вещества, имеющие воздействие на минералы содержащие рений. Под влиянием этих веществ заключенный в них рений окисляется до Re2O7 (высший окисел, который образует сильную одноосновную кислоту HReO4). Этот оксид в свою очередь реагирует с оксидами и карбонатами щелочных металлов, вследствие чего образуются водорастворимые соли - перренаты. Вот почему рений отсутствует в окисленных рудах цветных металлов и присутствует в водах шахт и карьеров, где добывают руды многих металлов. В воде артезианских скважин и естественных водоемов, расположенных близ ренийсодержащих рудных месторождений, тоже находят следы этого элемента.

По предположению академика А. Е. Ферсмана, для рения характерно «тяготение» к тем зонам земного шара, которые прилегают к его ядру. Поэтому в будущем возможно открытие богатейшего рениевого месторождения где-нибудь в недрах нашей Земли. Считается, что первое место по запасам рения занимают США (62 % мировых запасов), второе место принадлежит Казахстану.

Применение

Вплоть до начала семидесятых годов двадцатого века спрос на рений был ниже предложения. Цены на этот металл из года в год оставались на одном уровне, а государства, производящие семьдесят пятый элемент не видели смысла в повышении производительности и продолжали выплавку рения на старом уровне - тонна, две в год. Мировая рениевая промышленность находилась в относительном покое, до тех самых пор, пока не началось освоение новых катализаторов нефтеперерабатывающей промышленностью. Опытные образцы рениево-платиновых катализаторов позволили намного увеличить выход бензинов с высоким октановым числом. Дальнейшие же исследования показали, что использование этих катализаторов вместо устаревших платиновых позволяет на 40-45 % увеличить пропускную способность установок. К тому же срок службы новых катализаторов в среднем в четыре раза больше, чем старых. С тех пор примерно 65 % производимого в мире рения идет на получение платинорениевых катализаторов для нефтеперерабатывающей промышленности (получение бензина с высоким октановым числом). Такой бурный всплеск потребности и интерес к редкому металлу вызвал рост цен и спрос на него в разы. Поскольку платина и рений весьма дороги, эти катализаторы регулярно, через 3-5 лет, подлежат восстановлению для вторичного использования. При этом потери металла не превышают 10 %.

Другая обширная область применения рения, некогда использовавшая большую долю производимого в мире металла - металлургия. Благодаря своим уникальным свойствам (очень высокая температура плавления, устойчивость к химическим реагентам и прочие) семьдесят пятый элемент частый компонент жаропрочных сплавов на основе вольфрама и молибдена, а также сплавов на основе никеля, хрома, титана и других элементов. Причем сплавы рения с другими тугоплавкими металлами (такими как вольфрам, молибден или тантал) имеющие высокие жаропрочные характеристики используются при изготовлении деталей сверхзвуковых самолетов и ракет.

Наиболее используемые сплавы вольфрама с 5, 20 или 27 % рения (ВР-5, ВР-20, ВР-27ВП) и молибдена - с 8, 20 и 47 % рения, а также молибден-вольфрам-рениевые сплавы. Такие сплавы высокопрочны, пластичны (и, следовательно, технологичны), хорошо свариваются. Изделия из них сохраняют свои свойства и формы в самых трудных условиях эксплуатации. Рений работает на морских судах и самолетах, в космических кораблях (сплав тантала с 2,5 % рения и 8 % вольфрама предназначен для изготовления теплозащитных экранов аппаратов, возвращающихся из космоса в атмосферу Земли) и в полярных экспедициях. Сплав никеля с рением, называемый «монокристаллическим», используется для изготовления деталей газовых турбин. Ведь именно такой сплав обладает большой стойкостью к высоким температурам и резким температурным перепадам, он выдерживает температуру до 1 200 °С, поэтому в турбине можно поддерживать стабильно высокую температуру, полностью сжигая горючее, так что при этом с выхлопными газами выбрасывается меньше токсичных веществ и сохраняется высокий КПД турбины. В настоящее время ни одна газовая турбина не изготавляется без использования ренийсодержащего жаропрочного сплава. Для атомной техники сплавы, содержащие рений (сплав вольфрама с 26 % рения) - перспективный конструкционный материал (оболочки ТВЭЛов и прочих деталей, работающих в реакторах при температурах от 1 650 до 3 000 °С).

Семьдесят пятый элемент стал важным материалом для электронной и электронно-вакуумной промышленности. Именно данные области полностью раскрывают потенциал этого металла и его сплавов. Особенно широко в этих отраслях использует рений Япония (65-75 % своего потребления). Из рения и сплавов на его основе делают нити накала, сетки, подогреватели катодов. Детали из сплавов рения есть в электронно-лучевых трубках, приемно-усилительных и генераторных лампах, в термоионных генераторах, в масс-спектрометрах и других приборах. Из сплавов содержащих рений делают, в частности, керны (опора, на которой вращается рамка прибора) измерительных приборов высших классов точности. Материал таких опор должен отвечать ряду строгих условий: высокая твердость, немагнитность, высокая коррозионная стойкость, малый износ в процессе эксплуатации. Всем этим условиям отвечает многокомпонентный сплав на кобальтовой основе 40 КНХМР, легированный 7 % рения. Этот же сплав используют для производства упругих элементов крутильных весов и гироскопических приборов.

Рений используют при изготовлении вольфрам-рениевых термопар, позволяющих измерять температуры до 2 600 °C. Такие термопары значительно превосходят применяемые в промышленности стандартные термопары из вольфрама и молибдена. Кроме того, рений является прекрасным материалом для электрических контактов, покрытий, рентгеновских трубок, ламп-вспышек и вакуумных ламп. Наконец, на реакции β-распада 187Re основан рений-осмиевый метод определения возраста горных пород и метеоритов.

Производство

Производственное освоение рения началось в Германии в 1929 году, тогда «мировое производство» этого металла составляло всего 3 г! Однако уже к 1940 году Германия обладала запасами в 200 кг рения, чего вполне хватало для мирового потребления тех лет. После начала второй мировой войны американцы начали извлекать рений из молибденовых концентратов и в 1943 году получили 4,5 кг собственного семьдесят пятого элемента. После окончания второй мировой войны число стран производителей рения резко возросло - к Германии и США добавились СССР, Англия, Франция, Бельгия и Швеция. Тем не менее, даже в наши дни производство рения значительно уступает производству многих редких металлов - добыча подобных распыленных элементов представляет даже при нынешнем уровне знания и при разнообразии приемов достаточно сложную задачу.

Любое рудное сырье, содержащее семьдесят пятый элемент - это комплексное сырье, в котором далеко не рений главное богатство, с чем, собственно, и связаны большие потери и без того скудного элемента рения. Основные сырьевые источники семьдесят пятого элемента рения - молибденитовые концентраты (содержание рения 0,01-0,04 %), медные концентраты некоторых месторождений (0,002-0,003 % рения), отходы от переработки медистых сланцев (например, свинцово-цинковые пыли, содержащие 0,04 % рения), а также сбросные воды гидрометаллургической переработки бедных молибденитовых концентратов (10-50 мг/л рения).

Дело в том, что способы извлечения рения во многом зависят от специфики технологии производства основных металлов, а чаще всего технологические схемы извлечения основных металлов и рения не совпадают, что приводит к потерям семьдесят пятого элемента. Так, при флотационном обогащении молибденовых и медно-молибденовых руд от 40 до 80 % бывшего в руде рения переходят в молибденовый концентрат, а в рениевые слитки, в конечном счете, превращается лишь незначительная часть этого металла, добываемая из уже переработанных отвалов. По подсчетам американских ученых из молибденовых концентратов богатых рением извлекается всего 6 % этого металла от общего содержания. Но и при флотационном обогащении медно-молибденовых руд рений не теряется, а всего лишь переходит в молибденовый концентрат, потери начинаются дальше - при обжиге концентратов и в процессе плавки.

Технология обработки молибденовых концентратов включает обязательный окислительный обжиг при 550...650° C, а при таких температурах, как мы хорошо знаем, активно начинает окисляться и рений, в основном до Re2O7 - рениевый ангидрид летуч, получается, что большое количество семьдесят пятого элемента просто «вылетает в трубу». На различных стадиях производства черновой меди рений также удаляется с отходящими газами. Получается, чтобы получить рений на молибденовых предприятиях необходимо, прежде всего, уловить его из уходящих газов. Для этого на заводах устанавливают сложные системы циклонов, скрубберров, электрофильтров. В итоге рений концентрируется в шламовых растворах, образующихся при очистке пылеуловительных систем. Если печные газы направляются на производство H2SO4, рений концентрируется в промывной кислоте электрофильтров.

Для извлечения рения из пыли и шламов применяют выщелачивание слабой серной кислотой или теплой водой с добавкой окислителя (МnО2). В случае неполной возгонки рения (в многоподовых печах она составляет всего 50...60 %, в печах кипящего слоя - почти 96 %) при обжиге молибденитовых концентратов, часть его остается в металлическом огарке и затем переходит в аммиачные или содовые растворы выщелачивания огарков. Таким образом, источниками получения рения при переработке молибденитовых концентратов могут служить сернокислотные растворы мокрых систем пылеулавливания и маточные растворы после гидрометаллургической переработки огарков.

Из растворов рений извлекают в основном сорбционными (с применением слабо- и сильноосновных ионитов) и экстракционными (экстр-агентами выступают триалкиламин, трибутилфосфат и прочие соединения) методами. В результате десорбции или реэкстракции растворами NH3 образуется NH4ReO4, восстановлением которого водородом получают порошок рения:

2NH4ReO4 + 7H2 → 2Re + 2NH3 + 8H2O

Восстановление осуществляют в две стадии: первая протекает при 300-350 °С, вторая - при 700-800 °С. Полученный порошок прессуют в штабики, которые спекают при 1 200-1 300 °С, а затем при 2 700-2 850 °С в токе водорода. Спеченные штабики уплотняют ковкой или прокаткой на холоду с промежуточными отжигами. Для получения компактного рения применяют также плавку в электроннолучевых печах.

В последнее время разрабатываются новые способы гидрометаллургической переработки концентратов содержащих рений. Такие методы более перспективны в основном потому, что нет тех огромных потерь рения, которые неизбежны в пирометаллургии. Уже сейчас семьдесят пятый элемент извлекают из концентратов различными растворами - в зависимости от состава концентрата, а из этих растворов - жидкими экстр-агентами или в ионнобменных колоннах.

Физические свойства

Рений - серебристо-серый металл, своим внешним видом напоминающий сталь или платину. Порошок металла - чёрного или темно-серого цвета в зависимости от дисперсности. Рений кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной решетке с параметрами а = 2,760 A, с = 4,458 A, z = 2. Атомный радиус 1,373 A, ионный радиус Re7+ 0,56 A. В полном соответствии с положением в таблице Менделеева, рений во многом похож на марганец. В основном эта схожесть на уровне строения атомов - имея в наружном электронном слое атома всего два электрона, марганец и его аналоги не способны присоединять электроны и, в отличие от галогенов, соединений с водородом не образуют. Однако у семьдесят пятого элемента больше отличий - рений четвёртый в списке элементов с наибольшей плотностью в твёрдом состоянии (21,02 г/см3), то есть тяжелее этого элемента только осмий (22,5 г/см3), иридий (22,4 г/см3) и платина (21,5 г/см3).

Вообще по своим физическим свойствам рений схож с тугоплавкими металлами VI группы вольфрамом и молибденом, а также с металлами платиновой группы. Кроме близости ряда физических характеристик с молибденом его роднит и близость атомного и ионных радиусов. Например, радиусы ионов Re4+ и Мо4+ отличаются всего на 0,04 ангстрема. Сульфиды MoS2 и ReS2 образуют к тому же однотипные кристаллические решетки. Именно этими причинами объясняют геохимическую связь рения с молибденом. Рений лишь немного тяжелее вольфрама, плотность которого 19,32 г/см3, по температуре плавления (3 180 °С) он уступает вольфраму (3 400 °С), однако температуры кипения обоих металлов настолько высоки, что их не могли с точностью определить долгое время - для рения она порядка 5 870 °С, для вольфрама 5 900 °С. Однако существует и немаловажное различие - рений гораздо пластичнее вольфрама: его можно прокатывать, ковать, вытягивать в проволоку при обычных условиях.

Рений пластичен в литом и рекристаллизованном состоянии и деформируется на холоде. Только вот пластичность рения, как и многих других металлов, во многом зависит от чистоты. Известно, что примеси кальция, железа, никеля, алюминия и других элементов снижают пластичность рения. Модуль упругости семьдесят пятого элемента 470 Гн/м2, или 47 000 кгс/мм2 (выше, чем у других металлов, за исключением осмия и иридия), что обуславливает высокое сопротивление деформации и быстрый наклеп при обработке давлением. Для восстановления пластичности и снятия наклепа рений отжигают в водороде, инертном газе или вакууме.

Еще одно важное свойство рения - высокая жаропрочность. Рений отличается высокой длительной прочностью при температурах 500-2 000 °С, он выдерживает многократные нагревы и охлаждения без потери прочностных показателей. Его прочность при температуре до 2 000 °C выше, чем у вольфрама, и значительно превосходит прочность молибдена и ниобия. Твердость по Виккерсу отожженного рения 2 450 МПа, деформированного - 7 840 МПа. Удельное объемное электросопротивление рения при температуре 20 °С составляет 19,3 10-6 ом см, что в четыре раза больше, чем у вольфрама и молибдена. Термический коэффициент линейного расширения для рения равен 6,7 10-6 (в интервале температур от 20 до 500° С); удельная теплоемкость рения 153 дж/(кг К) или 0,03653 кал/(г град) (при температурах от 0 до 1 200 °С); теплопроводность 48,0 Вт/(м К) при температуре 25° С и 46,6 Вт/(м К) при температуре 100° С. Температура перехода рения в состояние сверхпроводимости 1,699 К; работа выхода электрона 4,80 эВ. Рений парамагнитен, удельная магнитная восприимчивость этого элемента составляет +0,368 10-6 (при температуре 20,2° С).

Химические свойства

У атома рения семь внешних электронов; конфигурация высших энергетических уровней 5d56s2. По своим химическим свойствам - особенно стойкости к агрессивным средам - рений напоминает металлы платиновой группы. В компактном состоянии (в виде слитков, прессованных штабиков) рений устойчив на воздухе при обычных температурах. При неизменности благоприятных условий металл может годами не тускнеть на воздухе, таким же «результатом» могут похвастать лишь некоторые благородные металлы: золото и платина. При температурах выше 300° C начинает наблюдаться окисление металла с образованием оксидов (ReO3, Re2O7), интенсивно этот процесс протекает при температурах выше 600 °C, а в атмосфере кислорода при нагревании свыше 400 °С металл сгорает. Появление при этом белого дыма свидетельствует об образовании семиокиси рения Re2O7, которая очень летуча. Порошкообразный рений окисляется во влажном воздухе до рениевой кислоты HReO4:

4Re + 7O2 + 2H2O → 4HReO4

Рений более устойчив к окислению, чем вольфрам и молибден, ведь он не реагирует непосредственно с азотом и водородом; порошок рения лишь адсорбирует водород. Семьдесят пятый элемент не растворяется в соляной и плавиковой кислотах любых концентраций на холоде и при нагревании до 100° С и выше. В азотной кислоте, горячей концентрированной серной кислоте, в пероксиде водорода металл растворяется во всех случаях с образованием рениевой кислоты:

3Re + 7HNO3 → 3HReO4 + 7NO + 2H2O

2Re + 7H2SO4 → 2HReO4 + 7SO2 + 6H2O

2Re + 7H2O2 → 2HReO4 + 6H2O

В растворах щелочей при нагревании рений медленно корродирует, расплавленные щелочи растворяют его быстро (особенно в присутствии окислителей - Na2O2, KNO2 и даже O2), давая метаперренаты (VII) MReO4.

Рений энергично взаимодействует с галогенами, причем сила взаимодействия уменьшается от фтора к брому. При этом не образуется соединений рения высшей валентности. При нагревании металлический рений взаимодействует с фтором, хлором, серой, селеном, бромом:

Re + 3F2 → ReF6

2Re + 5Cl2 → 2ReCl5

Re + 2S → ReS2

С фтором при нагревании образуется смесь ReF5, ReF6 и ReF7, с хлором - ReCl5 и ReCl4, с бромом - ReBr5, с йодом рений не реагирует. Кроме того, даже при повышенной температуре компактный рений не реагирует с оксидом углерода (II), метаном и углеродом (взаимодействие порошков рения и графита происходит при 1 000 °С и давлении 920 кПа, в итоге получается карбид ReC). С фосфором выше 750-800 °С рений образует фосфиды ReP3, ReP2, ReP и Re2P, с мышьяком - арсенид ReAs2,1-2,3, с кремнием при спекании - силициды ReSi, Re3Si, Re2Si, а также ReSi2 (полупроводник). Пары серы при 700-800 °С дают с рением сульфид ReS2. Аналогично сульфидам получают селениды Re2Se7 и ReSe2.

Для рения известны все валентные состояния от +7 до -1, что обусловливает многочисленность и разнообразие его соединений. Известно относительно небольшое число соединений одно, двух, трех, пяти и шестивалентного рения, все они малоустойчивы. Наиболее устойчивы соединения четырех- и семивалентного рения. К наиболее важным из них стоит отнести диоксид рения, ReO2, нелетучий коричнево-черный кристаллический порошок с металлическим типом проводимости, устойчивый на воздухе при комнатной температуре. ReO2 является промежуточным продуктом при получении рения. Триоксид рения, ReO3, кристаллы темно-красного цвета с металлическим блеском. Оксид рения Re2O7, или рениевый ангидрид, светло-желтые, буроватые кристаллы. Хорошо растворяется в воде, спирте, ацетоне. При растворении в воде дает бесцветный раствор рениевой кислоты. HReO4 - сильная кислота, в свободном виде не выделена.

Рений считается одним из самых тяжёлых металлов, он практически в 3 раза тяжелее железа. Ему характерна это необычайная тугоплавкость. Температура плавления составляет 3180 градусов. А что касается температуры кипения, она настолько высока, что учёными до сих пор не установлены точные данные. Известно лишь, что она около 6000 °С.

Одним из важнейших свойств этого металла, является высокое электросопротивление.

Если оценивать все виды металлов по их антикоррозийным свойствам, то рений будет находиться на одном из самых почётных мест.

Применение рения в современной технике многогранно. Особенно в создании различных кислотоупорных и жиропрочных сплавов. Техника нашего столетия предъявляет всё более жёсткие требования к конструкционным материалам. Жаропрочные сплавы рения с танталом и вольфрамом уже успели завоевать признание многих конструкторов, так как, мало какому металлу удаётся сохранять при огромных температурах свои механические свойства.

Также существует понятие, именуемое «рениевый эффект», заключающийся в весьма благотворном влиянии на свойства молибдена и вольфрама. Хотя природа данного эффекта ещё очень слабо изучена.

Применение рения

Такой обширный диапазон свойств рения объясняет многогранность сфер, в которых его применяют. Данный металл используется при изготовлении:

Платинорениевых катализаторов;

Фольфрам – рениевых термопар, устройства для измерения температуры;

Сплавов с добавлением вольфрама и молибдена;

Нити накала в масс - спектрометрах и в ионных манометрах

Кроме выше перечисленного, из этого металла изготавливают самоочищающиеся электрические контакты. Также рений используется при изготовлении камер сгорания, выхлопных сопел реактивных двигателей, лопаток турбин и т.д.

Сравнительно новая, но очень важная область применения рения – катализ. Металлический рений, а также его многочисленные сплавы и различного рода соединения, оказались превосходными катализаторами многих процессов. Самый хороший катализатор, это порошкообразный рений. По мнению учёных, в самом ближайшем будущем на катализационные нужды будет использоваться половина рения от добычи во всём мире.

Из вышесказанного абсолютно ясно, что «безработица» этому металлу никак не грозит. Приобрести магний , рений и любой интересующий металл в настоящее время не составляет проблемы. В любом браузере вбейте в поисковую строку «магний купить» и перед вами откроется огромное количество предложений. Цены на них конечно будут колебаться, но не на много. Так как они устанавливаются в прямом соответствии с установленными ценами на мировом рынке.

Содержание статьи

РЕНИЙ –(Rhenium) – элемент 7-й (VIIb) группы периодической системы, атомный номер 75, атомная масса 186,21. Известно 34 изотопа рения от 160 Re до 193 Re. Природный рений состоит из двух изотопов – 185 Re (37,40%) и 187 Re (62,60%). Единственный устойчивый изотоп – 185 Re, изотоп 187 Re радиоактивен, но период полураспада огромен – 43,5 миллиарда лет. Рений в своих соединениях склонен проявлять высшую степень окисления +7.

Рений был открыт последним из элементов периодической системы со стабильными изотопами. Д.И.Менделеев на основании Периодического закона предсказал два аналога элемента № 25 (Mn) – экамарганца и двимарганца, которые должны были быть открыты занять пустые места, которые он оставил при составлении таблицы элементов. Его предсказания существования скандия (Нильсон, 1875), галлия (Лекок де Буабодран, 1879) и германия (Винклер, 1886) послужили толчком для новых и новых исследований. В отличие от экабора (Sc), экаалюминия (Ga) и экасилиция (Ge), физико-химические свойства которых были довольно точно описаны Менделеевым, предсказаний, характеризующих поведение экамарганца и двимарганца не было.

В 1877 русский химик С.Керн сообщил об открытии нового элемента в отходах платиновой руды. Он назвал его дэвием (Da) в честь выдающегося английского химика сэра Гемфри Дэви . Сообщалось и об открытии новой качественной реакции – образования роданистого комплекса дэвия. Керн предположил, что дэвий должен занять место двимарганца, так как определенная им атомная масса оказалась равной 154. Открытие Керна не получило признания, поскольку не удалось повторить его опыты и сегодня остается только верить, что открытая им качественная реакция действительно идентична ныне широко известной сегодня реакции образования роданистого комплекса рения.

Впоследствии было много сообщений, претендующих на открытие эка- и двимарганца. Из них элементу № 75 могли соответствовать, вероятно, следующие: уралий (Гияр, 1869) и плюраний (Осанн, 1928). Они не получили подтверждения в дальнейшем и остались лишь частью истории науки.

Со времени открытия гафния (1923) в периодической системе (последним в ней был элемент под номером 86 – радон) оставалось четыре «пробела» на местах элементов с порядковыми номерами 43 (Tc), 61 (Pm), 75 (Re) и 85 (At). Наибольший интерес у исследователей вызывали эка- и двимарганец, поскольку из этой подгруппы был известен только один представитель – марганец. Поиски недостающих элементов возобновились с новой силой после открытия Мозли , который показал, что для каждого элемента можно установить атомный номер, исходя из частоты главной линии его рентгеновского спектра. Теперь появился мощный инструмент идентификации химических элементов – рентгеноспектральный анализ, который позволял определять малые количества (порядка 0,1%) вещества в образце.

В июне 1925 на заседании Прусской академии наук профессор Вальтер Ноддак (Noddack) (1893–1960) с сотрудниками Идой Такке (Tacke) (1896–1978) и Отто Бергом сделали первое сообщение о том, что ими открыты элементы 43 и 75, из которых первый назван мазурием в честь Мазурской области – родины Ноддака, а второй рением в честь Рейнской области – родины Такке.

Физические свойства элементов № 43 и № 75 были определены интерполяцией свойств элементов, между которыми они расположены в периодической системе, т.е. для № 43 – молибдена и рутения, а для 75 – вольфрама и осмия. Расчеты Ноддаков для двимарганца:

Труднее было предсказать химические свойства. Можно было предположить, что оба элемента имеют определенное сходство с марганцем, что гептаоксид экамарганца устойчивее, чем Mn 2 O 7 , и что гептаоксид двимарганца стабильнее такового для элемента № 43 в соответствии с общей закономерностью, наблюдающейся в периодической системе.

Неудачи предшественников, связанные с поиском элементов № 43 и № 75, навели Ноддаков на мысль о том, что эти элементы чрезвычайно редки и не могут быть непосредственно обнаружены в образцах по характеристическим рентгеновским спектрам. Требовалось предварительное обогащение, по меньшей мере до 0,1%. Они предположили, что эка- и двимарганец не образуют собственных минералов. Уже давно было подмечено, что химически аналогичные вещества способны к совместной кристаллизации. Как показал Гольдшмидт, только такие вещества способны взаимно заменять друг друга в кристаллах в заметных количествах, которые помимо химической аналогии, одновременно обладают также близко совпадающими ионными радиусами. В соответствии с законом распределения элементов в земной коре, в качестве подходящих минералов были взяты платиновая руда и колумбит.

Как первый объект была исследована уральская платиновая руда, 80 грамм которой Ноддак получил из России. После длительного отделения платиноидов, в результате возгонки было обнаружено небольшое количество желтоватых игольчатых кристалликов, обративших на себя особое внимание. Химические свойства этого вещества, собранного в количестве 1 мг, не были идентичны со свойствами ни одного из соединений известных элементов.

Вторым объектом исследования был колумбит, так как от платиновой руды пришлось отказаться вследствие ее дороговизны. В результате переработки около тысячи трехсот образцов после обогащения было получено около 1 г сульфидов металлов, где, по предварительным подсчетам, должно было содержаться 1 мг эка- и двимарганца. Из-за преобладания в образце оксидов ниобия и тантала, не удалось выделить соединения рения в чистом виде. Новый элемент можно было идентифицировать лишь при помощи рентгеноспектрального анализа. По результатам этих исследований Ноддак заявил об открытии элементов № 43 и № 75.

Опубликованное сообщение об открытии новых элементов вызвало оживленную дискуссию. Сотрудники Платинового института Академии наук СССР из многих килограммов платиновой руды по методике, описанной Ноддаком, получили тринадцать образцов, ни в одном из которых не было обнаружено новых элементов ни химическими, ни спектроскопическими, ни рентгенографическими методами.

Через несколько месяцев после сообщения Ноддака чешский химик И.Друце и англичанин Ф.Лоринг заявили об открытии элемента № 75 в пиролюзите. Кроме того Друце считал, что честь открытия рения вместе с ним должны разделить Я.Гейровский и В.Долейжек, заявившие о полярографическом обнаружении рения в коммерческих препаратах хлорида и сульфата марганца.

Дискуссия, однако, прекратилась, когда Ноддаку с сотрудниками в 1927 удалось получить 120 мг рения. Вопрос о приоритете в открытии рения до сих пор не снят, но факт получения Ноддаком первого образца редчайшего металла, да и само название элемента №75, свидетельствуют о признании мировым научным сообществом решающих заслуг группы Ноддака.

Рений в природе, его промышленное получение и рынок.

Рений – редчайший и сильно рассеянный элемент, по современным оценкам его кларк (среднее содержание в природе) в земной коре равен 7·10 –8 вес.%, что меньше кларка любого металла из группы платиноидов или лантаноидов. Если не принимать во внимание кларки инертных газов в земной коре (которых, однако, значительно больше в атмосфере), то можно назвать рений самым редким из элементов со стабильными изотопами.

Рений (за редкими исключениями) не образует собственных минералов, а лишь сопутствует минералам молибдена, вольфрама, свинца , платины, тантала, ниобия и др. Минералы рения (к примеру, джезказганит, Pb 4 Re 3 Mo 3 S 16) настолько редки, что представляют не промышленный, а скорее научный интерес.

Наиболее характерное свойство рения – его ярко выраженное геохимическое сходство с молибденом. Оба элемента проявляют одинаково высокое сродство к сере. Высшие галогениды молибдена и рения обладают повышенной летучестью и близкой реакционной способностью. Ионные радиусы четырехзарядных ионов Re 4+ и Mo 4+ практически одинаковы. Ноддаки установили, что дисульфиды рения и молибдена могут образовывать непрерывный ряд твердых растворов – они получили несколько образцов искусственного молибденита с содержанием рения от 0,5 до 10%. Поэтому неудивительно, что значительная часть рения в земной коре встречается в виде примеси в молибдените. Крупные месторождения молибденита есть в США, Армении, Узбекистане, Китае, Норвегии, Чили, Германии. Известно, что наиболее благоприятными условиями для создания повышенной концентрации рения в молибдените являются низкая температура кристаллизации минерала и небольшая глубина формирования месторождения.

Молибденит – не единственный минерал, содержащий рений, довольно велико содержание рения в минералах гранитных пегматитов (альвите, гадолините, цирконе, колумбите, танталите и др.). В них рений находится в виде тонко рассеянных сульфидов. Рений обнаружен и в минералах платины и вольфрама. Относительно велико содержание рения в метеоритном железе – 0,01 г/т, что значительно превышает кларк рения в земной коре. Причиной отсутствия рения в минералах марганца является, скорее всего, заметное различие и радиусах ионов Mn 2+ , Mn 3+ и Re 4+ . Большие количества элемента № 75 сосредоточены в медистых песчаниках, примером которых является группа месторождений Джезказганского региона в Казахстане. Отмечается накопление рения, наряду с другими тяжелыми металлами, в битуминозных остатках. Например, Мансфельдское месторождение (Германия) медистых сланцев служило основным источником производства рения до Второй мировой войны.

С распадом СССР проблема добычи рения встала перед Россией, поскольку его сырьевая база осталась, в основном, в Казахстане, Узбекистане и Армении. В 1990-х в высокотемпературных возгонах вулкана Кудрявый на острове Итуруп Курильской гряды была сделана уникальная геологическая находка: обнаружен собственный минерал рения – ReS 2 , предварительно названный ренитом. До этого момента в мире не было такого месторождения, промышленную ценность которого определял бы только рений. Уникальность Кудрявого заключается в том, что вулканические газы в местах выхода (в так называемых фумарольных, вулканических, полях) имеют необычайно высокую температуру (500–940° С). Только в таких условиях возможно образование минерала рения. Газы, выходящие на поверхность из других вулканов, намного холоднее. На протяжении столетий в местах выхода вулканических газов в рудных корках происходило концентрирование рения (в 10 9 раз). Содержание рения в этих корках, по разным оценкам, от четырех до нескольких десятков тонн. Ежегодно вулканом выбрасывается несколько тонн рения в виде газо-пылевой смеси. Кудрявый – вулкан гавайского типа, он не извергает потоки раскаленной лавы, а лишь «тлеет», что значительно упрощает извлечение ренита. Подсчитано, что за 100 лет в атмосферу вылетело и рассеялось по планете около 2000 тонн рения. Сейчас разрабатываются и внедряются промышленные установки по улавливанию дисульфида рения из вулканических выбросов. Годовая потребность России в рении составляет около 5 тонн, поэтому с внедрением эффективной технологии его извлечения можно не только полностью удовлетворить внутренние потребности страны, но и экспортировать металл.

Первый грамм довольно чистого рения был получен в 1929 Ноддаками в результате сложной химической переработки 660 кг норвежского молибденита. В 1930 мировое производство рения составило три грамма. В начале 1930-х было организовано первое промышленное производство рения. В 1940 было произведено 200 кг рения – более чем скромная цифра, если сравнить ее хотя бы с мировым производством золота (около 1000 тонн). В 1943 производство рения в США составило 4,5 кг.

Основными промышленными источниками получения рения являются медно-молибденовые, медные, свинцовые и полиметаллические руды, а также горючие сланцы. Мировая практика дешевого производства рения базируется на попутном извлечении элемента № 75 из молибденовых концентратов. Поскольку рений не является главной целью переработки таких концентратов, естественно, что технология его извлечения «привязана» к получению молибденового сырья. Все это выливается в громадные потери редчайшего металла. По данным американских ученых в 1965 было извлечено только 6% от всего содержащегося в молибдените рения. Молибденовые концентраты перерабатываются по традиционным схемам. Первая стадия – окислительный обжиг в печах с псевдоожиженным слоем при 550–650° С. Практически весь рений переходит в летучий при таких температурах гептаоксид, значительную часть которого уловить не удается, и он вылетает в трубу вместе с отходящими газами. Вторая стадия – перевод соединений рения после газопылеулавливания в раствор. Третья стадия – адсорбционное или экстракционное извлечение рения и перевод его в товарную соль – перренат аммония. Все стадии осуществляются параллельно с извлечением молибдена. Далее перренат аммония восстанавливают в трубчатых печах водородом при 800° С и получают рениевый порошок.

Помимо получения рения из пыли от обжига молибденитовых концентратов, есть еще несколько промышленных способов извлечения элемента № 75, связанных с использованием другого сырья. Рений извлекают из пыли медеплавильных заводов, из медных концентратов до их плавки, из налетов сажи, образующихся при шахтной плавке медистых сланцев, из свинцово-цинковой пыли шахтной плавки медистых сланцев.

Первое место по запасам рения занимают США (4,5 тысячи тонн, 62% мировых запасов), второе – Казахстан. Сейчас мировым лидером в производстве металлического рения является чилийская фирма Molybdenos Y Metales SA (Molyment). Рений выделяют как побочный продукт при обжиге молибденита. Чилийский экспорт рения составляет примерно 58% от первичных мировых поставок, объем которых составляет 35 т в год. Производство рения в США составляет около 11% от первичных мировых поставок. Второе место по объемам производства рения занимает Казахстан (Джезказганский медный рудник и Балхаш). В стране ежегодно производится 8,5 тонн рения (24% от мирового производства) в виде перрената аммония; при этом ресурсы Джезказганского рудника задействованы не на полную мощность. Производство рения в России в настоящее время, вследствие отсутствия сырьевой базы, находится на низком уровне и составляет несколько сот килограммов в год.

Главным импортером рения являются США. Цены на рений в основном диктуются экспортерами и официально не публикуются. Можно сказать лишь, что цена на чистый рений довольно высока и за последние двадцать лет колеблется в пределах 1000–2000 долларов за килограмм. В 2002 в США средняя цена на рений составляла 1060 долл/кг. Высокочистый рений, применяемый в электронике, значительно дороже; цены на него доходят до 900 долл/г.

Характеристика простого вещества.

Компактный рений – серебристый тяжелый металл, похожий на платину. В порошкообразном состоянии он имеет темно-серый (почти черный) цвет. Плотность его (при 20° С) равна 2102 кг/м 3 . Температура плавления 3170° С, температура кипения 5600° С. Реакционная способность металлического рения зависит от степени его измельченности и чистоты. Порошкообразный металлический рений может быть превращен в компактный металл путем спекания (металлокерамический процесс), плавления в электрической дуге или сфокусированном пучке электронов. Порошковая металлургия позволяет получить рений в виде слитков. При этом порошкообразный металлический рений прессуют в стальных матрицах на гидравлическом прессе. Спрессованные слитки затем спекают в два этапа. В компактном состоянии рений обладает относительной химической инертностью: не окисляется кислородом воздуха до 350° С, не взаимодействует с водой, галогеноводородными кислотами и разбавленной серной кислотой. Порошкообразный рений окисляется во влажном воздухе до рениевой кислоты:

4Re + 7O 2 + 2H 2 O = 4HReO 4 .

При нагревании металлический рений взаимодействует с фтором, хлором, бромом, серой, селеном:

Re + 3F 2 = ReF 6 ; 2Re + 5Cl 2 = 2ReCl 5 ;

Re + 2S = ReS 2 .

Даже при повышенной температуре рений не реагирует с оксидом углерода(II), метаном и углеродом.

Металлический рений легко растворяется в концентрированной и разбавленной азотной кислоте, концентрированной серной кислоте, пергидроле. Во всех случаях образуется рениевая кислота:

3Re + 7HNO 3 = 3HReO 4 + 7NO + 2H 2 O

2Re + 7H 2 SO 4 = 2HReO 4 + 7SO 2 + 6H 2 O

2Re + 7H 2 O 2 = 2HReO 4 + 6H 2 O.

В присутствии кислорода рений растворяется в расплавленных щелочах с образованием метаперренатов.

Металлический рений получают:

1) при восстановлении водородом перренатов щелочных металлов и аммония (промышленный способ). Перренат аммония предпочтительнее, поскольку из него получается чистый металл:

2NH 4 ReO 4 + 7H 2 = 2Re + 2NH 3 + 8H 2 O ;

2) при восстановлении водородом оксидов, оксигалогенидов и сульфидов рения:

Re 2 O 7 + 7H 2 = 2Re + 7H 2 O

ReS 2 + 2H 2 = Re + 2H 2 S ;

3) электролизом раствора перрената калия в присутствии серной кислоты:

4KReO 4 + 2H 2 SO 4 = 4ReЇ + 2K 2 SO 4 + 7O 2 +2H 2 O.

Важнейшие соединения рения.

Известно относительно небольшое число соединений одно, двух, трех, пяти и шестивалентного рения, все они малоустойчивы. Наиболее устойчивы соединения четырех- и семивалентного рения.

Диоксид рения, ReO 2, нелетучий коричнево-черный кристаллический порошок с металлическим типом проводимости, устойчивый на воздухе при комнатной температуре. При нагревании в кислороде, переходит в гептаоксид. Растворяется в концентрированной соляной кислоте с образованием комплексного соединения – гексахлорорениевой кислоты, H 2 зелено-коричневого цвета. Диоксид рения может быть получен частичным восстановлением Re 2 O 7 водородом при 300° С, восстановительным пиролизом перрената аммония в присутствии водорода или металлического рения. Является промежуточным продуктом при получении рения.

Дисульфид рения, ReS 2, черные мягкие кристаллы. Получают нагреванием порошкообразного металлического рения с избытком серы в атмосфере сероводорода. Является компонентом катализаторов в нефтехимических производствах.

Триоксид рения, ReO 3, кристаллы темно-красного цвета с металлическим блеском. Наиболее простой способ получения – разложение комплекса Re 2 O 7 с диоксаном, Re 2 O 7 ·2C 4 H 8 O 2 ·2H 2 O.

Оксид рения (VII ), Re 2O 7, рениевый ангидрид, светло-желтые, сильно гигроскопичные кристаллы. Может быть получен из элементов или окислением низших оксидов рения. Промежуточный продукт в производстве рения. Хорошо растворяется в воде, спирте, ацетоне. При растворении в воде дает бесцветный раствор рениевой кислоты. HReO 4 – сильная кислота, в свободном виде не выделена.

Перренат аммония, NH 4 ReO 4 , бесцветные кристаллы, растворимые в воде. Промежуточный продукт в производстве рения.

Применение металлического рения.

В учебнике неорганической химии Г.Реми 1961 можно найти следующие строки: «Рений оказался весьма подходящим при изготовлении наконечников перьев для авторучек; небольшие количества его придают высокую прочность и коррозионную устойчивость по отношению к подсыхающим чернилам…». Понятно, что это не самое удачное применение такого редкого металла. Действительно, за период с 1925 по 1967 мировая промышленность израсходовала всего 4,5 тонны рения. В начале 1930-х грамм рения стоил целое состояние – 40 000 немецких марок. В 1960-х он стоил намного больше платины и золота. Высокие цены объяснялись низкой эффективностью производства, улучшение которого, в свою очередь, лимитировалось маленьким спросом. В начале 1980-х мировое потребление рения составляло не более тонны в год. В 1990 в Советском Союзе было использовано 10 т рения. Сейчас потребность одних только США составляет 30 тонн ежегодно, и эта цифра будет продолжать расти.

Сейчас наиболее масштабными областями потребления рения являются производства тугоплавких специальных сплавов (50%) и катализаторов для нефтеперерабатывающей промышленности (40%). Рений – металл стратегического значения. Сплавы на основе рения применяются в авиационной, атомной и космической промышленности. В частности, из них изготавливаются лопатки для газотурбинных двигателей, сопла ракет и самолетов. Без рения невозможно создание авиационных двигателей ближайшего будущего. В некоторых моделях дорогих машин (например, Rolls-Royce Trent 500) все чаще используются рениевые сплавы. Сплавы вольфрама с рением в атомной энергетике служат оболочками тепловыделяющих элементов, работающих при температурах от 1650–3000° С. Из сплава Ta-W-Re изготавливают теплозащитные экраны аппаратов, возвращающихся из космоса на Землю.

Рений – незаменимый материал при изготовлении высокотемпературных электродов и термопар. Вольфрамовые нити накаливания электроламп под действием примеси кислорода и паров воды быстро разрушаются. Однако если их покрыть тонким слоем рения, срок службы лампочек значительно увеличивается. Тончайшие рениевые покрытия – один из наиболее эффективных методов защиты металлов от коррозии.

В конце 1960-х – начале 1970-х мировая нефтехимическая промышленность начала освоение платино-рениевых катализаторов риформинга нефтяных фракций, что позволило значительно улучшить качество автомобильных бензинов. Использование таких катализаторов увеличило пропускную способность установок риформинга на 40%, кроме того срок их службы увеличивается почти в 4 раза.

Все это позволяет назвать рений металлом высоких технологий.

Юрий Крутяков

Рений — 75-й элемент периодической таблицы Менделеева. Химический символ Re (лат. Rhenium) — серебристо-белый металл, близкий по свойствам к вольфраму и молибдену. Известны два изотопа рения: 185Re и 187Re. Тяжелого изотопа почти вдвое больше и он, в отличие от легкого, радиоактивен. Испуская β-лучи, Рений-187 в течение миллиарда лет превращается в осмий. Рений-185 выделен в чистом виде в 1925 году немецкими химиками супругами Ноддак. Он стал последним открытым нерадиоактивным элементом.

Геология

Этот редкоземельный элемент находят в молибденовых и медных рудах. Очень богатые залежи в Чили, США и России. Если сохранится ежегодный уровень потребления рения 40−50 тонн, человечеству хватит мировых запасов на 250−300 лет, без учета вторичного использования этого металла. В зависимости от чистоты, цена 1 кг рения может колебаться от 1000 до 10.000 долларов.

Спрос

На протяжении десятилетий потребность в рении оставалась стабильной. Основным потребителем была электротехническая промышленность. В основном рений шёл на изготовление термопар и нитей накаливания вакуумных приборов. Потребность в рении стала расти во второй половине прошлого века, когда нефтехимическая отрасль начала использовать рениево-платиновых катализаторов. Такие катализаторы позволили производить более дешёвый высокооктановый бензин. По сравнению со старыми платиновыми катализаторами рениевые были на 50% эффективнее и служили в 4 раза дольше. Если ранее значительная часть рения шла на легирование жаропрочных сплавов, то с последней четверти ХХ века 75% рения стало использоваться на производство катализаторов. Сегодня этот металл актуален не только в металлургии и электротехнике, но и в нефтехимии.

Физические свойства

Это тугоплавкий и тяжёлый металл, по свойствам похожий на молибден и вольфрам. По температуре плавления (3170°C) рений уступает лишь вольфраму. Один кубический сантиметр рения весит 21 грамм, тяжелее его — только осмий, иридий и платина. Чистый рений намного пластичнее вольфрама. Его можно прокатывать и вытягивать в тончайшую проволоку при обычных условиях. Был обнаружен и «рениевый эффект»: оказалось, что этот металл повышает одновременно и прочность, и пластичность молибдена и вольфрама. В силу высокого модуля упругости твердость рения после обработки значительно возрастает из-за наклепа. Чтобы восстановить пластичность, его отжигают в водороде, вакууме или инертном газе. До 1200 °C прочность его выше, чем у вольфрама, и намного выше прочности молибдена. Рений выдерживает многократные охлаждения и нагревы без утраты прочности. По электросопротивлению он в четыре раза превосходит вольфрам и молибден.

Химические свойства

Рений более устойчив к окислению, чем вольфрам, с годами не тускнеет на воздухе, сохраняя первозданный блеск, почти не растворим в соляной и плавиковой кислотах, слабо реагирует с Н 2 SO 4 даже при нагревании, но легко растворим в азотной кислоте, а в растворе Н 2 О 2 образует рениевую кислоту. С ртутью рений образует амальгаму.

Производство

Его добывают из молибденовой и медной сульфидной руды с мизерным содержанием солей рения, используя пирометаллургические методы (конвертирование, плавку, окислительный обжиг). При обжиге оксид рения возгоняется и потом улавливается специальными фильтрами. Часть рения обычно сохраняется в огарке, откуда переходит в содовые или аммиачные растворы, из которых позже металл восстанавливают водородом. При плавке медных концентратов с дымом обычно уносится 50−60% Re. При обработке медных концентратов серная промывная кислота становится главным источником для получения этого металла.

Применение

Использование рения определяют высокие показатели электрического сопротивления и жаропрочности, устойчивость к агрессивным химическим факторам, высокая каталитическая активность (близкая к платиноидам). Современная ядерная энергетика не может обойтись без сплавов, содержащих рений. Еще на заре атомной эры начали использовать сплав вольфрама с 26% рения для оболочек тепловыделяющих элементов и др. деталей, работающих в реакторах при t° 1600−3000°C. Все более прочные позиции рений и его сплавы занимают в авиации и космической технике. В частности, сплав тантала с 2,5% рения и 8% вольфрама незаменим для теплозащитных экранов модулей, возвращающихся из космоса на Землю. Высокие физические и химические достоинства (и плюс хорошая свариваемость) определяют интерес к рению крупнобюджетных отраслей, которым по плечу большие расходы. 2/3 рения уходит на легирование жаропрочных сталей и покрытие других металлов. Чистый рений служит основой самых ответственных деталей. Отечественные сплавы на основе вольфрама содержат 5, 20, до 27% Re (ВР-5, ВР-20, ВР-27ВП), на основе молибдена — 8, 20 до 47% рения. Также используются вольфрам-молибден-рениевые сплавы — ковкие, высокотехнологичные, легко свариваемые. Они работают в самых сложных условиях: выдерживают высокую температуру, ударные нагрузки, вибрацию, контакт с агрессивными веществами.

Поставка

Поставляем сертифицированный прокат из сплавов рения. В спецификацию включены данные по процентному составу и механическим качествам продукции. У нас легко купить оптом любые полуфабрикаты для масштабных производств. Мы также сотрудничаем с розничными покупателями. Высокий уровень сервиса и оперативность обслуживания являются лицом нашей компании.

Купить по выгодной цене

На сайте ООО «Электровек-сталь» отражена самая оперативная информация по приобретению проката из редких и тугоплавких металлов на сегодняшний день. Наши лучшие менеджеры, готовы предоставить высококвалифицированную консультативную помощь по любым текущим вопросам. Реализуем полуфабрикаты из редких и цветных по конкурентной цене. Продукция изготовлена на самом современном оборудовании и отвечает требованиям качества российского Госстандарта и международным стандартам качества. Постоянным клиентам предоставляется система дисконтных скидок.