Ren - Rhenium

Ren,  75 Re
Sztabka monokryształu renu i kostka 1cm3.jpg
Ren
Wymowa / R ı n Jestem ə m / ( pierwiastków ziem rzadkich -nee-əm )
Wygląd zewnętrzny srebrzystoszara
Standardowa masa atomowa A r, std (Re) 186.207(1)
Ren w układzie okresowym
Wodór Hel
Lit Beryl Bor Węgiel Azot Tlen Fluor Neon
Sód Magnez Aluminium Krzem Fosfor Siarka Chlor Argon
Potas Wapń Skand Tytan Wanad Chrom Mangan Żelazo Kobalt Nikiel Miedź Cynk Gal German Arsen Selen Brom Krypton
Rubid Stront Itr Cyrkon Niob Molibden Technet Ruten Rod Paladium Srebro Kadm Ind Cyna Antymon Tellur Jod Ksenon
Cez Bar Lantan Cer Prazeodym Neodym promet Samar Europ Gadolin Terb Dysproz Holmium Erb Tul Iterb Lutet Hafn Tantal Wolfram Ren Osm Iryd Platyna Złoto Rtęć (pierwiastek) Tal Ołów Bizmut Polon Astatin Radon
Francium Rad Aktyn Tor Protaktyn Uran Neptun Pluton Ameryk Kiur Berkel Kaliforn Einsteina Ferm Mendelew Nobel Wawrzyńca Rutherford Dubnium Seaborgium Bohrium Hass Meitnerium Darmsztadt Rentgen Kopernik Nihon Flerow Moskwa Livermorium Tennessine Oganesson
Tc

Re

Bh
wolframrenosm
Liczba atomowa ( Z ) 75
Grupa grupa 7
Okres okres 6
Blok   d-blok
Konfiguracja elektronów [ Xe ] 4f 14 5d 5 6s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 32, 13, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 3459  K (3186 ° C, 5767 ° F)
Temperatura wrzenia 5903 K (5630 °C, 10170 °F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 21,02 g/cm 3
w stanie ciekłym (przy  mp ) 18,9 g / cm 3
Ciepło stapiania 60,43  kJ/mol
Ciepło parowania 704 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 25,48 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 3303 3614 4009 4500 5127 5954
Właściwości atomowe
Stany utleniania -3, -1, 0, +1, +2, +3, +4 , +5, +6, +7 (lekko kwaśny tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,9
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 137  pm
Promień kowalencyjny 151±19:00
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe renu
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna sześciokątny gęstego upakowania (HCP)
Sześciokątna, ściśle upakowana struktura krystaliczna dla renu
Prędkość dźwięku cienki pręt 4700 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność termiczna 6,2 µm/(m⋅K)
Przewodność cieplna 48,0 W/(m⋅K)
Rezystancja 193 nΩ⋅m (przy 20 °C)
Zamawianie magnetyczne paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna 67,6 x 10 -6  cm 3 / mol (293 K)
Moduł Younga 463 GPa
Moduł ścinania 178 GPa
Moduł objętościowy 370 GPa
Współczynnik Poissona 0,30
Twardość Mohsa 7,0
Twardość Vickersa 1350–7850 MPa
Twardość Brinella 1320–2500 MPa
Numer CAS 7440-15-5
Historia
Nazewnictwo po rzece Ren (niem. Rhein )
Odkrycie Walter Noddack , Ida Noddack , Otto Berg (1925)
Pierwsza izolacja Walter Noddack, Ida Noddack (1928)
Główne izotopy renu
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
185 Re 37,4% stabilny
187 Re 62,6% 4,12×10 10  lat β 187 Os
Kategoria Kategoria: Ren
| Bibliografia

Ren to pierwiastek chemiczny o symbolu Re i liczbie atomowej 75. Jest to srebrzystoszary, ciężki metal przejściowy trzeciego rzędu w grupie 7 układu okresowego pierwiastków . Przy szacowanym średnim stężeniu 1 części na miliard (ppb), ren jest jednym z najrzadszych pierwiastków w skorupie ziemskiej . Ren ma trzecią najwyższą temperaturę topnienia i najwyższą temperaturę wrzenia spośród wszystkich stabilnych pierwiastków w 5869 K. Pod względem chemicznym ren przypomina mangan i technet i jest otrzymywany głównie jako produkt uboczny ekstrakcji i rafinacji rud molibdenu i miedzi . Ren wykazuje w swoich związkach szeroką gamę stopni utlenienia w zakresie od -1 do +7.

Odkryty w 1925 r. ren był ostatnim odkrytym trwałym pierwiastkiem . Został nazwany na cześć rzeki Ren w Europie.

Nikiel -na nadstopów renu są wykorzystywane w komorach spalania, łopatki turbiny i wylotowych dysz silników odrzutowych . Stopy te zawierają do 6% renu, co sprawia, że ​​konstrukcja silników odrzutowych jest największym jednorazowym zastosowaniem tego pierwiastka. Drugim najważniejszym zastosowaniem jest jako katalizator : ren jest doskonałym katalizatorem do uwodorniania i izomeryzacji i jest używany na przykład w katalitycznym reformingu benzyny ciężkiej do użycia w benzynie (proces rheniformingu). Ze względu na niską dostępność w stosunku do popytu, ren jest drogi, a jego cena osiągnęła rekordowo wysoki poziom w latach 2008/2009 wynoszący 10 600 USD za kilogram (4 800 USD za funt). Ze względu na wzrost recyklingu renu i spadek popytu na ren w katalizatorach, cena renu spadła do 2844 USD za kilogram (1290 USD za funt) od lipca 2018 r.

Historia

Ren ( łac . Rhenus oznacza „ Ren ”) był ostatnim odkrytym z pierwiastków o stabilnym izotopie (inne nowe pierwiastki odkryte w przyrodzie od tego czasu, takie jak frans , są radioaktywne). Istnienie jeszcze nieodkrytego pierwiastka w tej pozycji w układzie okresowym po raz pierwszy przewidział Dymitr Mendelejew . Inne wyliczone informacje uzyskał Henry Moseley w 1914 roku. W 1908 roku japoński chemik Masataka Ogawa ogłosił, że odkrył 43 pierwiastek i nazwał go nipponium (Np) po Japonii ( po japońsku Nippon ). Jednak niedawna analiza wykazała obecność renu (pierwiastek 75), a nie pierwiastka 43 , chociaż ta reinterpretacja została zakwestionowana przez Erica Scerriego . Symbol Np został później użyty dla pierwiastka neptun , a nazwa „nihonium”, również nazwana na cześć Japonii , wraz z symbolem Nh, została później użyta dla pierwiastka 113 . Pierwiastek 113 został również odkryty przez zespół japońskich naukowców i został nazwany w pełnym szacunku hołdzie pracy Ogawy.

Powszechnie uważa się, że ren został odkryty przez Waltera Noddack , Idę Noddack i Otto Berga w Niemczech . W 1925 roku poinformowali, że wykryli pierwiastek w rudzie platyny iw kolumbicie mineralnym . Znaleźli również ren w gadolinicie i molibdenicie . W 1928 roku udało im się wydobyć 1 g pierwiastka, przerabiając 660 kg molibdenitu. W 1968 r. oszacowano, że 75% renu w Stanach Zjednoczonych wykorzystano do badań i rozwoju stopów metali ogniotrwałych . Od tego momentu minęło kilka lat, zanim superstopy stały się powszechnie stosowane.

Charakterystyka

Ren to srebrzystobiały metal o jednej z najwyższych temperatur topnienia ze wszystkich pierwiastków, przewyższanej jedynie przez wolfram i węgiel . Ma również jedną z najwyższych temperatur wrzenia wszystkich pierwiastków i najwyższą wśród stabilnych pierwiastków. Jest też jednym z najgęstszych, przewyższają go jedynie platyna , iryd i osm . Ren ma heksagonalną, gęsto upakowaną strukturę krystaliczną, o parametrach sieci a  = 276,1 pm i c  = 445,6 pm.

Jego zwykłą formą handlową jest proszek, ale pierwiastek ten można konsolidować przez prasowanie i spiekanie w próżni lub atmosferze wodoru . Ta procedura daje zwarte ciało stałe o gęstości powyżej 90% gęstości metalu. Po wyżarzaniu ten metal jest bardzo plastyczny i może być gięty, zwijany lub walcowany. Stopy ren-molibden są nadprzewodzące w temperaturze 10 K ; Stopy wolframowo-renowe są również nadprzewodnikami około 4-8 K, w zależności od stopu. Nadprzewodniki renu metalicznego w1,697 ± 0,006 K .

W postaci luzem oraz w temperaturze pokojowej i ciśnieniu atmosferycznym element jest odporny na zasady, kwas siarkowy , kwas solny , rozcieńczony (ale nie stężony) kwas azotowy i wodę królewską .

Izotopy

Ren ma jeden stabilny izotop, ren-185, który jednak występuje w mniejszościowej ilości, co występuje tylko w dwóch innych pierwiastkach ( ind i tellur ). Naturalnie występujący ren to tylko 37,4% 185 Re i 62,6% 187 Re, który jest niestabilny, ale ma bardzo długi okres półtrwania (około 10 10 lat). Na ten czas życia duży wpływ może mieć stan naładowania atomu renu. Rozpad beta z 187 Re służy do ren-tetratlenku randki rud. Energia dostępna dla tego rozpadu beta (2,6 keV ) jest jedną z najniższych znanych spośród wszystkich radionuklidów . Izotop renu-186m jest godny uwagi jako jeden z najdłużej żyjących izotopów metastabilnych z okresem półtrwania około 200 000 lat. Rozpoznano 33 inne niestabilne izotopy, od 160 Re do 194 Re, z których najdłużej żyje 183 Re z okresem półtrwania 70 dni.

Związki

Związki renu są znane ze wszystkich stopni utlenienia od -3 do +7 z wyjątkiem -2. Najczęstsze są stopnie utlenienia +7, +6, +4 i +2. Ren jest najbardziej dostępny w handlu w postaci soli nadrenianu , w tym nadrenianu sodu i amonu . Są to białe, rozpuszczalne w wodzie związki. Anion tetratioperrenianowy [ReS 4 ] jest możliwy.

Halogenki i tlenohalogenki

Najczęstsze chlorki renu to ReCl 6 , ReCl 5 , ReCl 4 i ReCl 3 . Struktury tych związków często charakteryzują się rozległym wiązaniem Re-Re, które jest charakterystyczne dla tego metalu na stopniach utlenienia niższych niż VII. Sole [Re 2 Cl 8 ] 2- mają poczwórne wiązanie metal-metal. Chociaż najwyższy chlorek renu zawiera Re(VI), fluor daje pochodną heptafluorku renu d 0 Re(VII) . Dobrze znane są również bromki i jodki renu.

Podobnie jak wolfram i molibden, z którymi ma podobieństwo chemiczne, ren tworzy różne oksyhalogenki . W tlenochlorki są najbardziej powszechne, i obejmują ReOCl 4 , ReOCl 3 .

Tlenki i siarczki

Kwas nadrenowy (H 4 Re 2 O 9 ) przyjmuje niekonwencjonalną budowę.

Najpopularniejszym tlenkiem jest lotny żółty Re 2 O 7 . Czerwony trójtlenek renu ReO 3 przyjmuje strukturę podobną do perowskitu . Inne tlenki obejmują Re 2 O 5 , reo 2 i ponownie 2 O 3 . W siarczkiReS 2 i Re 2 S 7 . Sole nadrenianowe można przekształcić w tetratioperrhenian pod działaniem wodorosiarczku amonu .

Inne związki

Dwuborek renu (Reba 2 ) jest trudny związek o twardości podobny do tego z węglika wolframu , węglika krzemu , dwuborku tytanu lub dwuborek cyrkonu .

Związki organiczne orenu

Dekakarbonyl dirhenium jest najczęstszym elementem chemii organorhenium. Jego redukcja amalgamatem sodu daje Na[Re(CO) 5 ] z renem na formalnym stopniu utlenienia -1. Dekakarbonyl direnu można utlenić bromem do bromopentakarbonylorenu(I) :

Re 2 (CO) 10 + Br 2 → 2 Re (CO) 5 Br

Redukcja tego pentakarbonylu cynkiem i kwasem octowym daje pentakarbonylohydridorhenium :

Re (CO) 5 Br + Zn + HOAc → Ad (CO) 5 H + ZnBr (OAc)

Methylrhenium trójtlenek ( „cel ten”) CH 3 Reo 3 jest lotny, bezbarwna substancja stała została użyta jako katalizatora , w niektórych doświadczeniach laboratoryjnych. Można go wytworzyć wieloma drogami, typową metodą jest reakcja Re 2 O 7 i tetrametylocyny :

Re 2 O 7 + (CH 3 ) 4 Sn → CH 3 ReO 3 + (CH 3 ) 3 SnOReO 3

Znane są analogiczne pochodne alkilowe i arylowe. Katalizatory MTO do utleniania nadtlenkiem wodoru . Końcowe grupy alkinowe , otrzymując odpowiedni kwas lub ester, alkiny wewnętrzne otrzymując diketony i alkeny daje epoksydów. MTO katalizuje również konwersję aldehydów i diazoalkanów w alken.

Nonahydridorhenate

Struktura ReH2−
9
.

Charakterystyczną pochodną renu jest nonahydridorhenate , pierwotnie uważany za anion renowy Re , ale w rzeczywistości zawierający ReH2−
9
anion, w którym stopień utlenienia renu wynosi +7.

Występowanie

Molibdenit

Ren jest jednym z najrzadszych pierwiastków w skorupie ziemskiej o średniej koncentracji 1 ppb; inne źródła podają liczbę 0,5 ppb, co czyni go 77. najobficiej występującym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Ren prawdopodobnie nie jest wolny w przyrodzie (jego możliwe naturalne występowanie jest niepewne), ale występuje w ilościach do 0,2% w mineralnym molibdenicie (który jest głównie dwusiarczkiem molibdenu ), głównym źródle handlowym, chociaż pojedyncze próbki molibdenitu zawierają do 1,88 % zostało znalezione. Chile posiada największe na świecie rezerwy renu, część złóż rud miedzi, a od 2005 r. było wiodącym producentem. Dopiero niedawno odkryto i opisano pierwszy minerał renu (w 1994 r.), siarczek renu (ReS 2 ). kondensacja z fumarole na wulkanie Kudriavy , wyspa Iturup , na Wyspach Kurylskich . Kudriavy odprowadza do 20-60 kg renu rocznie, głównie w postaci dwusiarczku renu. Ten rzadki minerał, zwany renitem , cieszy się wysoką ceną wśród kolekcjonerów.

Produkcja

Nadrenian amonu

Około 80% renu jest pozyskiwane ze złóż porfiru molibdenu. Niektóre rudy zawierają 0,001% do 0,2% renu. Prażenie rudy powoduje ulatnianie się tlenków renu. Tlenek renu(VII) i kwas nadrenowy łatwo rozpuszczają się w wodzie; są one ługowane z pyłów i gazów spalinowych i ekstrahowane przez wytrącanie chlorkiem potasu lub amonu w postaci soli nadrenianowych i oczyszczane przez rekrystalizację . Całkowita produkcja światowa wynosi od 40 do 50 ton rocznie; główni producenci znajdują się w Chile, Stanach Zjednoczonych, Peru i Polsce. Recykling zużytego katalizatora Pt-Re i stopów specjalnych pozwala na odzyskanie kolejnych 10 ton rocznie. Ceny dla metalu gwałtownie wzrosła na początku 2008 r z 1000- $ $ 2000 na kg, w latach 2003-2006 ponad $ 10,000 lutego 2008. formy metalowej wytwarza się przez redukcję amonu nadrenianu z wodoru w wysokich temperaturach:

2 NH 4 ReO 4 + 7 H 2 → 2 Re + 8 H 2 O + 2 NH 3

Aplikacje

W silniku Pratt & Whitney F-100 zastosowano superstopy drugiej generacji zawierające ren

Ren jest dodawany do wysokotemperaturowych nadstopów, które są wykorzystywane do produkcji części silników odrzutowych , co stanowi 70% światowej produkcji renu. Innym ważnym zastosowaniem jest platynę renu katalizatory , które są stosowane przede wszystkim w produkcji prowadzenie -FREE wysokiej liczbie oktanowej benzyny .

Stopy

Nadstopy na bazie niklu mają zwiększoną wytrzymałość na pełzanie dzięki dodatkowi renu. Stopy zwykle zawierają 3% lub 6% renu. Stopy drugiej generacji zawierają 3%; stopy te zastosowano w silnikach do F-15 i F-16 , podczas gdy nowsze monokryształowe stopy trzeciej generacji zawierają 6% renu; są stosowane w silnikach F-22 i F-35 . Ren jest również stosowany w nadstopach, takich jak CMSX-4 (2. gen.) i CMSX-10 (3. gen.), które są używane w przemysłowych turbinowych silnikach gazowych , takich jak GE 7FA. Ren może powodować, że superstopy stają się niestabilne mikrostrukturalnie, tworząc niepożądane topologicznie zamknięte fazy upakowania (TCP) . W 4th- i 5. generacji nadstopów , rutenu, stosuje się w celu uniknięcia tego efektu. Nowe nadstopy to m.in. EPM-102 (o 3% Ru) i TMS-162 (o 6% Ru) oraz TMS-138 i TMS-174.

Silnik odrzutowy CFM International CFM56 z łopatami wykonanymi z 3% renu

W 2006 r. zużycie podano jako 28% dla General Electric , 28% Rolls-Royce plc i 12% Pratt & Whitney , wszystkie dla superstopów, podczas gdy użycie katalizatorów wynosi tylko 14%, a pozostałe zastosowania 18%. W 2006 r. 77% zużycia renu w Stanach Zjednoczonych dotyczyło stopów. Rosnący popyt na wojskowe silniki odrzutowe oraz stała podaż spowodowały konieczność opracowania nadstopów o niższej zawartości renu. Na przykład nowsze łopatki turbiny wysokociśnieniowej (HPT) CFM International CFM56 będą wykorzystywać Rene N515 o zawartości renu 1,5% zamiast Rene N5 o zawartości 3%.

Ren poprawia właściwości wolframu . Stopy wolframowo-renowe są bardziej plastyczne w niskich temperaturach, co pozwala na łatwiejszą ich obróbkę. Poprawia się również stabilność w wysokich temperaturach. Efekt wzrasta wraz ze stężeniem renu, dlatego też stopy wolframu są produkowane z zawartością do 27% Re, co stanowi granicę rozpuszczalności. Drut wolframowo-renowy został pierwotnie stworzony w celu opracowania drutu, który byłby bardziej plastyczny po rekrystalizacji. Dzięki temu drut spełnia określone cele wydajności, w tym doskonałą odporność na wibracje, lepszą plastyczność i wyższą rezystywność. Jednym z zastosowań stopów wolframu i renu są źródła promieniowania rentgenowskiego . Wysoka temperatura topnienia obu pierwiastków wraz z ich wysoką masą atomową sprawia, że ​​są one odporne na długotrwałe uderzenie elektronów. Stopy renu z wolframem są również stosowane jako termoelementy do pomiaru temperatury do 2200 ° C .

Wysoka stabilność temperaturowa, niska prężność pary, dobra odporność na zużycie i odporność na korozję łukową renu są przydatne w samooczyszczaniu styków elektrycznych . W szczególności wyładowanie, które występuje podczas przełączania elektrycznego, utlenia styki. Jednak tlenek renu Re 2 O 7 ma słabą stabilność (sublimuje w ~360 °C) i dlatego jest usuwany podczas wyładowania.

Ren ma wysoką temperaturę topnienia i niską prężność pary podobną do tantalu i wolframu. Dlatego też włókna renowe wykazują większą stabilność, jeśli włókno pracuje nie w próżni, ale w atmosferze zawierającej tlen. Włókna te są szeroko stosowane w spektrometrach masowych , jonometrach i lampach błyskowych w fotografii .

Katalizatory

Renu w postaci stopu, ren, platyna jest stosowany jako katalizator reformingu katalitycznego , który jest procesem chemicznym, aby przekształcić rafinerii ropy naftowej, nafty o niskiej liczbie oktanowej w wysokiej liczbie oktanowej produktów ciekłych. Na całym świecie 30% katalizatorów stosowanych w tym procesie zawiera ren. Metatezy olefin jest inne reakcji renu, który stosuje się jako katalizator. Zwykle w tym procesie stosuje się Re 2 O 7 na tlenku glinu . Katalizatory renowe są bardzo odporne na zatrucia chemiczne azotem, siarką i fosforem, dlatego są stosowane w niektórych rodzajach reakcji uwodornienia.

Inne zastosowania

Izotopy 188Re i 186Re są radioaktywne i są stosowane w leczeniu raka wątroby . Obydwa mają podobną głębokość penetracji w tkance (5 mm dla 186 Re i 11 mm dla 188 Re), ale 186 Re ma zaletę dłuższej żywotności (90 godzin w porównaniu do 17 godzin).

188 Re jest również wykorzystywany eksperymentalnie w nowatorskim leczeniu raka trzustki, gdzie jest dostarczany za pomocą bakterii Listeria monocytogenes . 188 Przedmiot izotop jest również stosowany do renu SCT ( rak skóry terapii). Zabieg wykorzystuje właściwości izotopu jako emitera beta do brachyterapii w leczeniu raka podstawnokomórkowego i płaskonabłonkowego skóry.

W związku z okresowymi trendami ren ma podobną chemię do technetu ; prace wykonane w celu oznaczenia renu na docelowych związkach często można przełożyć na technet. Jest to przydatne w radiofarmacji, gdzie trudno jest pracować z technetem – zwłaszcza izotopem 99m stosowanym w medycynie – ze względu na jego koszt i krótki okres półtrwania.

Środki ostrożności

Niewiele wiadomo na temat toksyczności renu i jego związków, ponieważ są one stosowane w bardzo małych ilościach. Sole rozpuszczalne, takie jak halogenki renu lub nadreniany, mogą być niebezpieczne z powodu pierwiastków innych niż ren lub samego renu. Tylko kilka związków renu zostało przetestowanych pod kątem ich ostrej toksyczności; dwa przykłady to nadrenian potasu i trichlorek renu, które wstrzykiwano szczurom w postaci roztworu. Nadrenian miał LD 50 wartość 2800 mg / kg, po upływie siedmiu dni (to jest bardzo niska toksyczność, podobne do soli kuchennej) i trójchlorek renu wykazały LD 50 280 mg / kg.

Bibliografia

Zewnętrzne linki