Was ist Rhenium und welche Anwendungen hat es?

Rhenium ist das vorletzte Element mit einem stabilen Isotop, das jemals auf der Erde entdeckt wurde. Wissenschaftler entdeckten Rhenium im Jahr 1908. Diese chemische Verbindung ist nach dem Rhein in Europa benannt. Rhenium ist ein Schwermetall, das zur dritten Reihe der Übergangsmetalle in Gruppe 7 des Periodensystems gehört. Das Symbol für sein chemisches Element ist Re. Mit einer Standardkonzentration von 1 ppb (Teil pro Milliarde) ist dieses Element eines der seltenen Metalle in der Kruste mit dem zweithöchsten Siedepunkt und dem dritthöchsten Schmelzpunkt aller Elemente. Das Metall ähnelt chemisch Technetium und Mangan und ist ein Nebenprodukt der Veredelung und Gewinnung von Kupfer- und Molybdänerzen.

Eigenschaften von Rhenium

Rhenium hat eine silberweiße Farbe und weist nach Kohlenstoff und Wolfram den dritthöchsten Schmelzpunkt auf. Re ist das vierte dichteste Element der Erde nach Osmium, Iridium und Platin. Rhenium besitzt eine hexagonal dicht gepackte Kristallstruktur sowie einen Gitterparameter von c = 445.6pm und a = 276.1pm. Im Handel liegt Rhenium in Pulverform vor, es kann jedoch durch Sintern und Pressen in einer Wasserstoff- oder Vakuumatmosphäre verfestigt werden. Der Verfestigungsprozess erzeugt einen kleinen Feststoff, dessen Dichte über 90% des Metalls beträgt. Beim Erhitzen neigt dieses Element dazu, flexibel zu sein und leicht gerollt, gewickelt und sogar gebogen zu werden. Wolfram-Rhenium- und Rhenium-Molybdän-Legierungen sind ausgezeichnete Leiter. Bei Raumtemperatur, atmosphärischem Druck und in loser Form kann dieses Element Königswasser, verdünnter Salpetersäure, Schwefelsäure, Laugen und Salzsäure widerstehen.

Wie viele stabile Isotope hat Rhenium?

Rhenium hat nur ein stabiles Isotop (Rhenium-185), eines der seltensten Elemente, die nur in zwei Elementen von Tellur und Indium vorkommen. Natürlich gefundenes Rhenium-187 ist nur 62, 6% und Rhenium-185 ist 37, 4%, die mit einer sehr langen Halbwertszeit (1010 Jahre), die durch den atomaren Ladungszustand beeinflusst wird, sehr instabil sind. Das Rhenium-186-Isotop hat die längste Halbwertszeit von 200.000 Jahren. Rhenium hat mehr als 25 anerkannte radioaktive Isotope.

Wo wird Rhenium abgebaut?

Mit einer durchschnittlichen Konzentration von 1 ppb (andere Quellen mit 0, 5 ppb) ist Rhenium das 77. seltenste Element in der Erdkruste. Dieses Metall ist in der Natur nicht frei zu finden; es kommt in Mengen von 0, 2% in Molybdänit vor. Chile hatte die größten Rheniumreserven in seinen Kupfererzminen und war 2005 der größte Produzent. Das erste bekannte Rheniumsulfidmineral, das 1994 im Vulkan Kudriavy auf der russischen Insel Iturp gebildet wurde. Der Vulkan Kudriavy produziert etwa 60 kg Rhenium pro Jahr in Form von Rheniumdisulfid, das aus Fumarolen kondensiert.

Wie wird Rhenium aus Molybdänit gewonnen?

Handelsübliches Rhenium wird aus dem im Kupfersulfid enthaltenen Molybdängas (Rösterabzug) abgebaut, und verschiedene Molybdäniterze haben maximal 0, 2% Rhenium. Perrhensäure und Rhenium-VII-Oxid lösen sich in Wasser und werden daher mit Staub aus den Rauchgasen abfiltriert und fallen dann Ammonium- oder Kaliumchlorid als Perrhenatsalze aus, die durch Umkristallisation gereinigt werden. Die weltweite jährliche Gesamtproduktion dieses Elements liegt zwischen 40 und 60 Tonnen / Jahr, wobei die Primärproduzenten Polen, Peru, die Vereinigten Staaten und Chile sind. Aus der Rückgewinnung von Pt-Re-Katalysator mit verschiedenen außergewöhnlichen Legierungen werden jährlich etwa 10 Tonnen Rhenium gewonnen. Die Metallstruktur von Rhenium entsteht, indem das Ammoniumperrhenat lediglich bei extrem hohen Temperaturen durch Wasserstoffgas geschleudert wird. Der Preis für dieses Metall stieg von 1000 bis 2000 US-Dollar pro Kilogramm in den Jahren 2003 bis 2006 auf 10.000 US-Dollar pro Kilogramm und mehr im Jahr 2008, was es zu einem der teuersten Metalle der Welt macht.

Bedeutende Anwendungen von Rhenium

Die hohen Kosten und der Mangel an dem Element Rhenium begrenzen seine Anwendungen; Dennoch ist Rhenium aufgrund seiner Komponenten mit hohem Schmelzpunkt und hoher Temperaturbeständigkeit bei der Herstellung der Thermoelemente zur Messung hoher Temperaturen in der nicht oxidierten Atmosphäre unverzichtbar. Ca. 70% der weltweiten Rheniumproduktion werden zur Herstellung von Teilen des Strahltriebwerks verwendet. Die Platin-Rhenium-Katalysatoren unterstützen die Herstellung von bleifreiem Benzin mit hoher Oktanzahl.

Legierungen

Die Zugabe dieses Elements zu den Superlegierungen auf Nickelbasis hat dazu beigetragen, seine Festigkeit zu verbessern. Die Superlegierungen enthalten 3-6% Rhenium. Die Superlegierungen der dritten Generation mit 6% Rhenium werden für den Bau von Motorteilen F-35 und F-22 verwendet, während die Motorteile F-16 und F-15 Superlegierungen der zweiten Generation mit 3% Rhenium enthalten. Hersteller fügen Rhenium anderen Superlegierungen wie CMSX-10 und CMSX-4 hinzu, die sie zur Herstellung verschiedener industrieller Gasturbinentriebwerke wie GE 7FA verwenden. Rhenium kann Superlegierungen mikrostrukturell instabil machen, wodurch unerwünschte topologisch dicht gepackte (TCP) Phasen gebildet werden. Zur Verbesserung der Stabilität werden Superlegierungen der 4. und 5. Generation mit Ruthenium versetzt.

Die Zugabe von Rhenium in Wolfram trägt zur Verbesserung seiner Eigenschaften bei; Dadurch werden die Wolfram-Rhenium-Legierungen duktil und lassen sich bei niedrigen Temperaturen leicht verarbeiten. Die Stabilität von Wolfram bei hohen Temperaturen wächst mit der Zugabe von Rhenium. Das Gleichgewicht dieser Wolfram-Rhenium-Legierungen verbessert sich mit einem Anstieg der Rheniumkonzentrationen, und dies ist der Grund, warum die Wolfram-Rhenium-Legierung 27% Rhenium enthält, was ihre Löslichkeitsgrenze darstellt. Die Zugabe von Rhenium zu Wolfram ermöglicht es den Verbundwerkstoffen, bestimmte Funktionen wie eine verbesserte Duktilität, einen höheren spezifischen Widerstand und eine überlegene Vibrationsbeständigkeit zu erfüllen. Zahlreiche Röntgenquellen verwenden Wolfram-Rhenium-Legierungen. Der höhere Schmelzpunkt dieser Metalle stabilisiert ihre Atome gegen einen längeren Elektronenstoß.

Katalysatoren

Das katalytische Reformierungsverfahren (das Verfahren zur Umwandlung von Erdölnaphtha mit niedriger Oktanzahl in Produkte mit hoher Oktanzahl) verwendet Rhenium-Platin-Legierungen als Katalysator. Weltweit sind mehr als 30% der im katalytischen Reformierungsprozess verwendeten Katalysatoren Rhenium. Die Olefinmetathese (ein organischer Prozess, bei dem Olefine durch Regeneration und Spaltung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen neu verteilt werden) verwendet Katalysatoren auf Rheniumbasis. In zahlreichen Hydrierungsprozessen werden Rheniumkatalysatoren eingesetzt, da sie gegen alle Arten chemischer Vergiftungen durch Phosphor, Schwefel und Stickstoff beständig sind.

Andere Anwendungen

Re-188- und Re-186-Isotope sind die radioaktiven Rheniumisotope, die bei der Behandlung von Leberkrebs verwendet werden. Obwohl diese Isotope eine ähnliche Gewebeeindringtiefe aufweisen (Re-188 für 10 mm und Re-186 für 5 mm), hat Re-186 eine längere Lebensdauer. Listeria monocytogenes hilft bei der experimentellen Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs, Re-188 in den Körper zu bringen. Rhenium funktioniert perfekt als Ersatz für Technetium in der Radiopharmazie, da es eine längere Halbwertszeit hat.