Ре́ний (лат. Rhenium), Re, химический элемент VII группы короткой формы (7-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 75, атомная масса 186,207. Природный рений состоит из 2 нуклидов: стабильного ¹⁸⁵Re (37,4 %) и слаборадиоактивного ¹⁸⁷Re (62,6 %, период полураспада T_1/2 4,35·10¹⁰ лет); искусственно получены радионуклиды с массовыми числами 160–193.

Историческая справка

В 1871 г. Д. И. Менделеев предсказал существование элемента с атомным весом 190 – аналога марганца. В 1925 г. немецкие химики В. Ноддак, И. Такке-Ноддак и О. Берг обнаружили элемент спектральным методом в платиновых рудах и минерале колумбите.

Распространённость в природе

Рений – типичный рассеянный элемент. Его содержание в земной коре 7·10^–8 % по массе. Собственные минералы рения очень редки; известны два минерала – джезказганит (Сu,Pb,Re)S₂ и рениит ReS₂. Повышенное содержание рения отмечено в молибденитовых концентратах и медных сульфидных рудах, горючих сланцах, битумах, углях, продуктах вулканической деятельности. Мировые запасы рения около 2 295 т, мировое производство 59 т (2021).

Образец рения.Образец рения.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома рения 4f¹⁴5d⁵6s²; в соединениях проявляет степени окисления от +7 (наиболее устойчива) до –1; электроотрицательность по Полингу 1,9; энергии ионизации при последовательном переходе от Re⁰→Re⁺→Re²⁺→Re³⁺→Re⁴⁺ равны соответственно 760, 1260, 2510 и 3640 кДж/моль; металлический радиус 137 пм, ионные радиусы (в пм; в скобках указано координационное число) Re⁴⁺ 77 (6), Re⁵⁺ 72 (6), Re⁶⁺ 69 (6), Re⁷⁺ 52 (4) и 67 (6).

Рений – серебристо-серый металл; кристаллическая решётка гексагональная; t_пл 3180 °C (по тугоплавкости уступает лишь W); t_кип 5600 °С; плотность 21 010 кг/м³; температурный коэффициент линейного расширения 6,7·10^–6 К^–1 (293–1273 К); теплопроводность 48,0 Вт/(м·К) при 298 К, 46,6 Вт/(м·К) при 373 К; удельное электрическое сопротивление 1,93×10^–7 Ом·м (20 °C); парамагнитен; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природного рения 8,6·10^–27 м².

В литом и рекристаллизованном состоянии рений пластичен, деформируется на холоду. Модуль упругости 470 ГПа при 20 °C (уступает лишь модулю упругости Os и Ir); твёрдость по Виккерсу отожжённого рения 2450 МПа, деформированного 7840 МПа; характеризуется высокой длительной прочностью при 1000–2000 °C.

Оксиды, галогениды, халькогениды и многие другие соединения рения восстанавливаются H₂ до металла. Металлический рений устойчив на воздухе при комнатной температуре. Образование оксидов Re₂O₇, ReO₃ начинается при 300 °C и интенсивно протекает выше 600 °С. Во влажном воздухе рений медленно окисляется до HReO₄. Рений устойчив в атмосфере Н₂, а также N₂ даже при высоких температурах. Нитрид ReN_0,43 получен при восстановлении аммиаком NH₄ReO₄ или ReCl₃ при 300–350 °С. Рений образует с F₂ при нагревании смесь ReF₅, ReF₆ и ReF₇, с Cl₂ – ReCl₅ и ReCl₄, с Br₂ – ReBr₃, с I₂ не реагирует. С серой при нагревании выше 700–800 °С образует ReS₂; с пара́ми боранов или галогенидов бора при 1750 °С и выше – бориды; с фосфором выше 750–800 °С – фосфиды ReP₃, ReP₂, ReP и Re₂P, с As – арсенид ReAs_2,1–2,3, с Si при спекании – силициды ReSi, Re₃Si, Re₂Si, а также ReSi₂ (полупроводник). Взаимодействием порошков рения и графита при 1000 °С и давлении 920 кПа получен карбид ReC. С ртутью рений образует амальгаму.

Рений не корродирует в H₂SO₄, соляной и фтороводородной кислотах при комнатной температуре. В HNO₃, горячей H₂SO₄ и в Н₂О₂ растворяется с образованием НReO₄. С растворами щелочей реагирует медленно, с расплавами быстро (особенно в присутствии окислителей), давая соли MReO₄. Рений устойчив к действию расплавленных Sn, Zn, Ag, Cu, Bi, слабо растворим в расплавленном Al, легко – в расплавах Ni и Fe.

Среди важнейших кислородных соединений рения – рениевая кислота HReO₄ (бесцветная, сильная, сравнительно слабый окислитель) и её соли – перренаты, образующиеся при взаимодействии HReO₄ со щелочами, оксидами или карбонатами металлов. Плохо растворяются в воде перренаты Tl, K, Rb, Cs, Ag, умеренно – соли NH₄⁺, Pb, хорошо – соли Na, Mg, Ca, Fe, Cu и др.

Получение

Основные сырьевые источники рения – молибденитовые и медные концентраты (содержание рения 0,01–0,04 % и 0,002–0,003 % соответственно). При окислительном обжиге молибденитовых концентратов при 550–650 °C рений удаляется на 50–95 % с печными газами в виде Re₂O₇. Гептаоксид концентрируется в шламах и растворах, образующихся в системе пыле- и газоулавливания. Для извлечения рения из молибденитовых концентратов используют также гидрометаллургические методы. При получении черновой меди рений также удаляется с отходящими газами. Если печные газы направляются в производство Н₂SO₄, рений концентрируется в промывной кислоте электрофильтров. Для извлечения рения из пылей и шламов используют выщелачивание слабой H₂SO₄ или водой с добавкой окислителя МnO₂. Из растворов рений извлекают в основном сорбционными (с применением слабо- и сильноосно́вных ионитов) и экстракционными (экстрагенты – триалкиламин и др.) методами. В результате десорбции или реэкстракции растворами NH₃ образуется NH₄ReO₄, восстановлением которого водородом получают порошок рения. Восстановление осуществляют в две стадии (при 300–350 °C и при 700–800 °C). Порошки прессуют в штабики, их спекают при 1200–1300 °C, а затем при 2700–2850 °C в токе Н₂. Спечённые штабики уплотняют ковкой или прокаткой на холоду с промежуточными стадиями отжига. Для получения компактного рения применяют также плавку в электронно-лучевых печах. Глубокую очистку рения производят бестигельной зонной плавкой в высоком вакууме, получая монокристаллы.

Изделия из рения изготавливают преимущественно методами порошковой металлургии из порошка, получаемого водородным восстановлением перрената аммония. Детали сложной конфигурации производят из сферических порошков (с размером частиц 10–100 мкм), субмикронных порошков (с размером частиц 1–0,5 мкм) и ультрадисперсных порошков (с размером частиц менее 0,1 мкм) в одну стадию методами прямого горячего изостатического прессования, холодного изостатического прессования или литья под давлением.

Для получения рениевых покрытий используют электролитическое выделение рения из водных растворов KReO₄ или NH₄ReO₄, термическую диссоциацию хлоридов рения, а также метод химического осаждения рения из газовой фазы. Наноразмерные порошки металлического рения могут быть получены термическим разложением его комплексных соединений с органическими лигандами при низких (450 °C) температурах.

Для приготовления рениевых катализаторов, устойчивых к действию азота, серы и фосфора, используют металлический рений (часто его чернь), оксиды, сульфиды (например, Re₂S₇), селениды; соединения рения после нанесения на носитель восстанавливают водородом или H₂S. Биметаллические катализаторы получают восстановлением рениевых, платиновых или палладиевых соединений, нанесённых на Al₂O₃ или SiO₂.

Применение

Более 80 % рения используется в виде покрытий и жаропрочных сплавов на основе W–Mo, а также Ni, Cr, Mo, Ti в аэрокосмической технике (турбины для реактивных и турбореактивных двигателей, сопла ракетных двигателей с дополнительным покрытием из иридия и др.). Рений входит в состав платинорениевых катализаторов, используемых в нефтеперерабатывающей промышленности (получение высокооктанового бензина), рениевых катализаторов метатезиса олефинов. Рений – материал нитей накаливания ламп, долгоживущих рентгеновских трубок, герконов, подогревателей, катодов и газопоглотителей электровакуумных приборов, термопар (Pt-Re, Mo-Re, W-Re), термоионных и термоэлектронных эмиттеров ионов в масс-спектрометрах, стрелок и осей точных приборов (компасов, торсионов, гироскопов) и др., а также перспективный конструкционный материал для деталей атомных реакторов и оболочек твэлов, работающих при температуре от 1650 до 3000 °С, ювелирных изделий.