Рений


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 %.


Интересные факты


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.