Един от най-редките елементи в земната кора. Последният открит стабилен елемент. Покрива лопатките на турбини в реактивните двигатели.

Рений — Re · №75

Рений (Re) — химичен елемент №75

Рений е металът, за когото учените са знаели, че трябва да съществува, преди изобщо да са го намерили. Когато накрая го открили — бил скрит в руда за молибден, в количество, което едва-едва се измерва. А днес той е в двигателите на всеки самолет, с който летите.

История на откриването

Дмитрий Менделеев е оставил в периодичната си таблица незапълнени клетки — места, запазени за елементи, които той е предсказал, но не е успял да открие приживе. Едно от тези места носело временното название „ека-манган" и стояло празно десетилетия наред. Когато рентгеновата спектроскопия се утвърдила като метод в началото на ХХ век, ловът по необходимост се превърнал в по-систематичен процес. Британският физик Хенри Мозли доказал, че всеки елемент има уникален рентгенов спектър, обвързан с атомния му номер — и внезапно учените знаели точно какво да търсят, без да знаят къде.

Немските химици Валтер Нодак, Ида Таке и Ото Берг се заели с тази задача сериозно. През 1925 г. те анализирали колосални количества колумбит и молибденит и засекли в рентгеновите спектри слаби, но недвусмислени линии — подписа на два нови елемента наведнъж. Единият нарекли мазурий (по Мазурия, регион в тогавашна Прусия), а другия — рений, по река Рейн. Мазурият (днешен технеций) се оказал радиоактивен и нестабилен, откритието останало оспорено. Рений обаче бил реален и устойчив. Три години по-късно Ида Таке и Валтер Нодак изолирали 1 грам чист рений от цели 660 килограма молибденитова руда. Изчислете сами каква е тази концентрация.

Рений е последният химичен елемент, открит в природата като стабилен. Всичко след него по атомен номер или е радиоактивно, или е произведено изкуствено в ядрени реактори и ускорители. Това му придава особен исторически статус — той е краят на едно дълго търсене, започнало с Менделеев. Ако искате да видите мястото му в контекста на цялата периодична система, разгледайте периодичната таблица на елементите, където рений седи спокойно в група 7, между своите съседи волфрам и осмий.

Физични свойства

Рений изглежда като типичен сивкав метал, но зад тази скромна външност се крият числа, които изненадват. Точката му на топене е 3186°C — по-висока от почти всеки друг елемент в таблицата. Само волфрамът го изпреварва. Точката на кипене е дори по-зашеметяваща: 5596°C, което е в диапазона на температурата на повърхността на Слънцето. На практика това прави рения изключително труден за обработка — за да го стопите, трябва специализирана вакуумна пещ.

Плътността му е 21.02 g/cm³. За сравнение — оловото е около 11 g/cm³, а желязото — около 7.9 g/cm³. Рений е почти три пъти по-плътен от желязото и се нарежда сред най-тежките метали изобщо, заедно с осмий, иридий и платина. Въпреки тази плътност, той е сравнително пластичен в чист вид — може да се изтегля на тел или валцова на ленти без да се чупи, което е нетипично за толкова огнеупорни материали.

Химични свойства

Рений е химично доста консервативен при стайна температура. На въздух не се окислява видимо, не реагира с вода и устоява на повечето киселини — включително солна и флуороводородна. Азотната киселина и горещата сярна киселина обаче го разтварят. Тази инертност не е случайна: шестте електрона в d- и s-орбиталите го правят стабилен и слабо реактивен при ниски температури.

При нагряване обаче картината се променя. Рений показва почти цялата гама окислителни степени — от −1 до +7, като +4 и +7 са най-честите. Рениевият(VII) оксид (Re₂O₇) е бял прах, разтворим във вода, където дава перренова киселина (HReO₄) — аналог на манганова, но значително по-стабилен. Перренатите (соли на перреновата киселина) намират приложение в катализата. Друго интересно съединение е рениев(IV) сулфид (ReS₂), с нагласта на двуизмерен материал, аналог на молибденовия дисулфид — нещо, което привлича интереса на изследователи в областта на нанотехнологиите.

В сплав с никел рений образува структури, известни като суперсплави — материали с изключителна якост при екстремни температури. Именно тази способност е ключът към основното му приложение.

Къде го срещаме

Следващият път, когато летите с самолет, знайте, че рений е буквално в двигателя над вас. Лопатките на турбините в реактивните двигатели работят при температури, при които повечето метали просто се топят или губят механична якост. Никеловите суперсплави с добавка от 3 до 6% рений издържат на тези условия — и именно това откритие от 80-те и 90-те години на ХХ век е утроило световното търсене на метала. Един единствен двигател тип GE90 (монтиран на Boeing 777) съдържа около 6 кг рений.

Рений се използва и като катализатор в нефтопреработването — специфично при платено-рениеви катализатори в процеса на каталитичен реформинг, който превръща нискокачествени нефтени фракции в висококачествен бензин. Приблизително 30% от световното производство на рений отива именно в тази посока.

Рениевият химичен елемент се добива главно като страничен продукт при преработката на медни и молибденови руди. Чили произвежда над 50% от световното количество — и почти всичкото идва от един-единствен минен комплекс, Чукикамата. Годишното световно производство е едва около 50–60 тона, което го прави многократно по-рядък от злато в добиваните количества.

Има и по-деликатни приложения: рениеви нишки се използват в масспектрометри и йонни манометри, а в ядрената медицина изотопът рений-188 се проучва като средство за целенасочена лъчетерапия на тумори.

Биологична роля

Рений няма известна биологична роля. Той не участва в никакви ензимни реакции, не е открит в биологични тъкани в значими количества и не е необходим за нито един известен жив организъм. При въвеждане в тялото — например чрез радиоактивни изотопи за медицинска употреба — се отделя предимно чрез бъбреците. Токсичността на рения е ниска в сравнение с много тежки метали, но данните за хроничното му въздействие върху хора са оскъдни, просто защото хората рядко влизат в контакт с него.

Любопитни факти

Последният стабилен елемент, открит на Земята. Всичко с атомен номер над 75 или е радиоактивно (и се среща в природата само в следи), или е изцяло синтетично. Рений затваря вратата на „естествената" периодична таблица.

Откривателката, която почти спечелила Нобел за нещо друго. Ида Таке, съоткривателка на рения, е и първият учен, предложил идеята за ядрено делене — още преди Отo Хан и Лизе Майтнер. Предложението й от 1934 г. не е взето насериозно от научната общност по онова време.

Рений в цифри. В земната кора го има около 0.7 части на милиард по маса. Сравнете с желязото — около 5%, или дори с платината — около 5 части на милиард. Рений е по-рядък от платина.

Цената следва рядкостта. Цената на рения варира между 1500 и 10 000 долара за килограм в зависимост от пазарните условия — и тя е пряко обвързана с производството на реактивни двигатели. Когато авиационната индустрия расте, цената скача. Пандемията от 2020 г. срина търсенето и съответно — цената.

Суперсплав от третото поколение. Съвременните турбинни лопатки съдържат до 6% рений, но изследователите работят върху сплави с осмий и рутений, за да намалят количеството на рения и да задържат свойствата. Рений химичен елемент е толкова търсен, че индустрията активно търси как да го замени — или поне да го използва по-икономично. Повече за съседните му елементи в периодичната таблица на елементите.

Статията е публикувана на uchitel.bg/blog/renii-himichen-element.