Ren - Rhenium
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 | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
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 w 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
| ||||||||||||||||
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 | |||||||||||||||
Linie widmowe renu | ||||||||||||||||
Inne właściwości | ||||||||||||||||
Naturalne występowanie | pierwotny | |||||||||||||||
Struktura krystaliczna | sześciokątny gęstego upakowania (HCP) | |||||||||||||||
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 | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
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
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 siarczki są ReS 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
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
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
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
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.
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
- Ren w układzie okresowym filmów wideo (University of Nottingham)