Рений: происхождение и технология производства

Элемент получил свое название от реки Рейн, который первооткрыватели назвали в его честь. В тот период в периодической таблице И.Д.Менделеева было две свободные ячейки под марганцем, и оказалось не просто найти недостающие элементы для них — технеций и рений (Re). Он был расположен ниже по таблице, и действительно, оказался последним открытым, стабильным, нерадиоактивным элементом. Он практически не имеет побочных эффектов, но многие специалисты считают, что было проведено, мало исследований токсичности Re. Его изотопный раствор, которым напоили крыс, показал уровни токсичности, сходные с поваренной солью. В настоящее время нет  известных побочных эффектов для людей, земной почвы или атмосферы, полученных при добыче этих полезных ископаемых.

Происхождение и добыча рения

Рений является химическим элементом в периодической таблице, который имеет символ Re и атомный номер 75. Это серебристо-белый, редкий, тяжелый, поливалентный переходной металл, химически напоминающий марганец и используемый в некоторых сплавах. В 1905 году Масатака Огава нашел его в минеральном торианите, привезенном из Шри-Ланки. Изучая атомные спектральные линии, он догадался, что нашел неизвестный элемент, но ошибочно полагал, что он находится прямо под марганцем, и поэтому его открытие в то время не было признанным. Однако повторное изучение оригинальных фотографических спектров Огавы доказало, что именно он обнаружил Re.

Выделить Re смогли только в мае 1925 год. Это сделали немецкий физикохимик Вальтер Ноддак и его жена Ида Такке,  работающие в Берлине. Они получили элемент Re из руды гадолинита, в котором находилась его примесь. Re получается как побочный продукт измельчения молибдена, а сплавы рений-молибден являются сверхпроводящими.

Re – серебристо-белый блестящий металл. Он является одним из самых плотных и уступает только платине, иридию и осмию и имеет температуру плавления 3186 С, которая является третьей по величине температурой плавления среди всех элементов после углерода и вольфрама, а точка кипения его с 5870 С занимает лидирующее значение среди всех известных элементов периодической таблицы.

Re в природе свободно не встречается, и только совершенно недавно был обнаружен первый минерал рения. В 1994 году Nature опубликовал письмо, описывающее минерал сульфида рения, обнаруженный Институтом геологии рудных месторождений (Москва) при конденсации фумарола на российском вулкане Кудриавы Южно Курильской гряды.

Рений
Как выглядит рений

Re также редко встречается и в виде собственного сульфидного минерала — рениит (ReS 2). Тем не менее, часто его находят в качестве замены молибдена в молибдените (MoS 2). Большая часть извлеченного рения является побочным продуктом добычи меди, причем около 80 процентов извлекается из дымовой пыли при переработке концентратов молибденита из медно-порфировых месторождений. С конца 1980-х годов рений стал критически важным для суперсплавов, используемых в турбинах и в катализаторах, применяемых для производства бессвинцового бензина.

Физико-химические свойства

Re – один из самых редких элементов, имеет среднюю численность в континентальной коре менее одной части на миллиард. Он является переходным металлом. Как и другие члены группы, он менее реакционноспособен, чем типичные металлы, но более реактивен. Переходные металлы характеризуются наличием внешней электронной оболочки, содержащей два электрона, а в следующей внутренней оболочке — возрастающее число электронов. Из-за небольших различий в энергии между валентными оболочками возникает ряд состояний окисления. Металлический Re встречается в природе с молибденитом MoS 2, который, в свою очередь, связан с халокопиритом в медных порфирных рудах. Молибденит, встречающийся в кварцевых жилах, не содержит рения.

Основные химические свойства и характеристики:

  • Атомный номер -75;
  • атомный вес – 186.207;
  • наличие в земной коре (относительная), % – 7×10–8;
  • плотность при 20 С, г/см3 -21.0;
  • радиус металла, пм -137;
  • ионный радиус (VII), пм – 53;
  • температура плавления, С – 3,180;
  • точка кипения, С – 5870;
  • теплота плавления, кДж/моль – 33.

Re является умеренно стабильным металлом. Он практически не реагирует с кислородом и некоторыми кислотами. Но взаимодействует с сильными кислотами, такими, как азотная HNO3 и серная H2SO4. В природе встречаются два изотопа рения: Re -185 и Re -187.

Особенности и технологические моменты получения рения

Руды, содержащие рений, сначала обжигают или нагревают на воздухе, чтобы превратить их в оксид рения ReO3. Затем газообразный водород пропускают через оксид рения. Водород превращает оксид рения в чистый металл.

Товарный Re извлекается из топочного дымового газа молибдена, полученного из медно-сульфидных рудах  путем высокотемпературного обжига. Часто  продается в виде соли аммония, перрената аммония, от которого он может быть дополнительно очищен. Очистка включает восстановление водородом при высоких температурах с получением рениевого порошка, который может быть изготовлен в форме с использованием процессов порошковой металлургии.

Некоторые руды молибдена содержат от 0,002 до 0,2% рения. Общее мировое производство составляет от 40 до 50 тонн/год. Коммерческие операции по производству рения таким способом можно найти в Майами, Аризоне и Юте в США, а также в Чили, России, Казахстане и Украине. Высокая стоимость этого элемента сильно ограничивают его применение. Тем не менее, благодаря своей исключительной стойкости к высоким температурам Re  необходим при выпуске термопар для измерения температур до 2500 C, в неокисляющих атмосферах, а также при производстве тугоплавких сплавов с вольфрамом.

Рений может быть выплавленный с использованием методов сварки инертным газом или электронно-лучевой сваркой, но должен быть защищен от окисления. Он может быть обработан с использованием электрохимической, электронно-разрядной обработки, абразивной резки и шлифования.

Область применения

Существуют хорошие перспективы использования сплава рения, применяемого в электроинструментальном производстве, поскольку он и некоторые его сплавы обладают  упругими свойствами. Таким образом, введение рения в кобальтовые сплавы позволило решить проблему повышения твердости и стойкости к износу и обеспечило надежность сердечников электроинструмента в условиях вибрации и повышенных нагрузок.

Рений применение:

  1. Ракетные двигатели для малых спутников.
  2. В качестве материала электрического контакта, где он может выдерживать высокие условия износа и искрения.
  3. Рениевый провод используется в фотовспышке.
  4. В катализаторах для гидрирования мелких химических веществ, гидрокрекинга, риформинга и диспропорционирования олефинов. Он подходит для этого применения, поскольку обладает исключительной стойкостью к таким элементам, как фосфор, азот и сера.
  5. После облучения нейтронной бомбардировкой он может применяться в медицинских целях для лечения рестеноза и опухолей печени.
  6. Для изготовления термисторов.
  7. Он добавляется к другим металлам для придания полезных свойств, например,никелевые суперсплавы  газотурбинных двигателей для повышения их рабочей температуры.
  8. Рений вольфрамовые сплавы используются для высокотемпературных термопар (до 2200 C).
Рений
Рений используется для производства ракетных двигателей для малых спутников

Цена редкоземельного металла

Редкость нахождения в земной коре, приводит к большему спросу на Re, что сильно влияет на его цену. Стоимость рения обычно указывается в фунтах или килограммах вместо тройских унций, что дает необычайно высокую цену по сравнению с другими драгоценными металлами.

Стоимость производства первого грамма рения в 1928 году оценивалась в 15 000 долларов. Сегодня она зависит от уровня использования в аэрокосмической промышленности, удерживается на уровне  около 1200 долларов США за фунт или 2500 долларов США за килограмм. Угроза истощения Re является насущной проблемою, поэтому ученые постоянно проводят исследования по замене его в компонентах реактивных двигателей.

В СССР основным потребителем Re и его продуктов была Россия с 70% уровнем, а производителем – Казахстан, занимающий по запасам второе место после США.

Сегодня более 50% мирового производства Re поступает из Чили, где работает мировой лидер Molibdenosy Metales-Molymet, почти вся продукция, которого потребляется американской аэрокосмической промышленностью.

Крупнейшие заводы по извлечению рения из молибденитовых концентратов:

  • Заводом Molymex в Мексике, на основе концентратов с рудника La Caridad, управляемым Grupo Mexico;
  • ферромолибденовый завод в Бельгии (Sadaci);
  • металлургический завод Chemiemetall в Германии;
  • металлургические заводы в Китае;
  • завод в Дезказгане в Казахстане;
  • Уралэлектромедь в России;
  • Навоийский завод Алмалык в Узбекистане;
  • Ереванский металлургический завод;
  • металлургический концерн KGHM Польша.

В некоторых странах, таких как: Иран, Монголия и Чили, извлекается только часть рения из концентратов молибденита. Это связано с отсутствием соответствующих перерабатывающих предприятий — обжиговых установок, оборудованных мокрыми пылеуловителями.

Рений
Рений имеет большой потенциал для будущего

Будучи относительно «молодым» элементом, исследователи и разработчики видят в нем большой потенциал для будущего. Одним из наиболее перспективных свойств рениевых сплавов является их благоприятная биосовместимость, что делает их очень привлекательными для использования при производстве изделий медицинского назначения. В частности, молибден-рениевые сплавы показали лучшие результаты в имплантатах, чем обычные титановые сплавы. Кроме того, исследователи изучили свойства диборида рения, как материала для твердых покрытий и обнаружили, что его твердость почти эквивалентна твердости кубического нитрида бора.

ОСТАВЬТЕ КОММЕНТАРИЙ

Please enter your comment!
Please enter your name here