Реній - Секрет старих відвалів

С.І. Венецкій

Наприкінці 20-х років нашого століття велика закордонна фірма звернулася до директора одного з заводів кольорових металів у Сибіру з вигідним, здавалося б, пропозицією: продати їй за досить солідну суму відвали пустої породи, що зібралися біля заводської території.

"Неспроста, мабуть, іноземці зацікавилися відходами виробництва ", - подумали працівники заводу. Про те, що фірма діяла, як кажуть, не заради користі, а лише обуріваємий бажанням поліпшити фінансове становище радянського підприємства, зрозуміло, не могло бути й мови. Отже, потрібно було знайти, де собака зарита. І заводські хіміки почали ретельно досліджувати старі відвали. А вже невдовзі все стало ясно: виявилося, що "порожня" порода містила рідкісний метал реній, відкритий за кілька років до описуваних подій. Оскільки світова виробництво ренію вимірювалося у той час буквально грамами, ціна на нього була воістину фантастичною. І не дивно, що представники закордонної фірма готові були розщедритися, аби заволодіти дорогоцінні відвали. Але до їх великому засмучення угода з цілком зрозумілих причин не відбулася.

Що ж являє собою реній і чим був викликаний підвищений інтерес до нього? Пріоритет відкриття цього металу належить німецьким вченим подружжю Іде і Вальтеру Ноддак, однак у них було чимало попередників, які прагнули прискорити урочистості з приводу нового елементу. Справа в тому, що ще в 1871 році Д. І. Менделєєв передбачив, що в природі "зобов'язані" існувати дві хімічних аналога марганцю, які в періодичній системі повинні розташовуватися під ним, займаючи пустували в той час клітини № 43 і 75. Менделєєв умовно назвав ці елементи ека-марганцем і дви-марганцем.

Претендентів на що з'явилися вакансії виявилося більше ніж достатньо. Історія хімії зберігає безліч повідомлень про відкриття нових елементів, які після ретельної перевірки доводилося "закривати". Так було і з аналогами марганцю. У ролі першовідкривачів цих загадкових незнайомців не проти були виступити багато хіміки різних країн, але "відкритим" ними елементами (ільменіт, девію, люцію, Ніппон) призначено було лише потрапити в історію науки, але не заповнити вакансії періодичної таблиці.

Правда, один з них - девій, відкритий в 1877 році російським ученим С. Керн і названий на честь знаменитого англійського хіміка Г. Деві, давав реакцію, яку в наш час використовують в аналітичній хімії для визначення ренію. Може бути, Керну і справді довелося тримати в руках крупиці темно-сріблястого металу, того, що через півстоліття офіційно з'явився на світ під назвою реній? Але як би там не було в клітинах № 43 і 75 продовжували стирчати похмурі знаки питання.

Період невідомості тривав до тих пір, поки в пошуки невловимих елементів не включилися німецькі хіміки Вальтер Ноддак і Іда Такка, які незабаром, мабуть, вирішили, що робота піде успішніше, якщо вони скріплять свій науковий союз ще й шлюбними узами.

Першим об'єктом їхніх досліджень, розпочатих у 1922 році, стала платинова руда, однак експериментувати з нею було досить накладно, і вченим довелося переключитися на матеріали "простіше". До того ж теоретичні роботи, які паралельно з експериментами вели чоловік і жінка, переконували їх в тому, що, найімовірніше, шукані елементи № 43 і 75 ховаються в природі в мінералах типу колумбітов.

Крім того, теорія дозволила вченим розрахувати і приблизне вміст в земній корі цих не піддаються відкриття елементів: виявилося, що на кожен їх атом припадають мільярди атомів інших представників хімічного світу. Чи варто було при цьому дивуватися, що так довго були порожні "квартири" № 43 і 75, а їхні майбутні мешканці тим часом водили за ніс не одне покоління хіміків?

Експерименти подружжя Ноддак вражали своїм розмахом: протягом року вони, користуючись розробленим незадовго до цього рентгеноспектрального методом, "промацати" 1600 земних мінералів і 60 прибульців з космосу - метеоритів. Титанічна праця увінчався успіхом: у 1925 року вчені оголосили про те, що знайшли в Колумбії два нові елементи - мазури (№ 43) і реній (№ 75). Але оголосити про відкриття - ще не все. Треба зуміти довести свою правоту тим, хто поставить під сумнів народження нових елементів.

Одним з таких вчених, засумнівалися в тому, що прийшла, нарешті, пора на місце знаків питання поставити в таблицю Д. І. Менделєєва символи Ма і Re, був відомий німецький хімік Вільгельм Прандтля. Великий теоретик і блискучий експериментатор, він вступив у запеклу дискусію з подружжям Ноддак.

Ті, у свою чергу, готові були будь-яку ціну захищати свій престиж. Врешті-решт "сутичка", за перебігом якої з інтересом стежив науковий світ, закінчилася внічию: переконливих доказів щодо мазури подружжя Ноддак уявити не змогли, зате реній до цього моменту існував вже не тільки на рентгеноспектрограммах: в 1926 році було виділено 2 міліграма нового металу, а через рік -120 міліграмів!

Та й роботи інших учених - англійця Ф. Лоринга, чехів І. Друце, Я. Гейровській і В. Долейжека (вони незалежно від подружжя Ноддак, але лише на кілька місяців пізніше виявили елемент № 75 в марганцевих рудах) - свідчили про те, що знайшовся справжній власник відповідного "апартаменти" періодичної таблиці.

Реній виявився практично "останнім з могікан" - Елементів, виявлених в природних матеріалах. Надалі вдалося заповнити ще кілька залишалися порожніми клітин періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, але їхні мешканці були вже отримані штучним шляхом - за допомогою ядерних реакцій. Першим серед них судилося стати колишньому Мазур - елементу № 43, який відкрили його в 1937 році італійські вчені Е. Сегре і К. Пер'є назвали техніці (що по-грецькому означає "штучний ").

Але повернемося до ренію. Своїм ім'ям метал зобов'язаний річці Рейн. Рейнська область - батьківщина Іди Ноддак; тут-таки й сам реній вперше побачив світло. (Зауважимо, що жодної іншої річці нашої планети хіміки та фізики не надали такої високої честі.) Промислове виробництво нового металу розгорнулося на початку 30-х років у Німеччині, де були знайдені молібденові руди з великим вмістом ренію - 100 грамів на тонну. Всього один щіпка на гору руди, але для ренію і таку концентрацію можна вважати надзвичайно високою: адже його середній вміст в земній корі в десятки тисяч разів нижче. Небагато знайдеться елементів, які зустрічаються в природі ще рідше, ніж реній.

Поширеність хімічних елементів часто для наочності зображують у вигляді піраміди. Її широке основу складають кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, якими багата Земля, а реній розташовується в "піднебесся" - на самому вістрі вершини.

Як вважав академік О. Є. Ферсман, для ренію характерна "тяжіння" до тих зонах земної кулі, які прилягають до його ядра. Можливо, з часом геологи зуміють проникнути в надра нашої планети і газети всього світу опублікують сенсаційне повідомлення про відкриття там найбагатшого ренієві родовища ... У 1930 році світове виробництво ренію становило всього ... 3 грама (зате кожний з цих грамів коштував ні мало, ні багато-40 тисяч марок!). Але вже через 10 років тільки в одній Німеччині було отримано приблизно 200 кілограмів цього металу.

З тих пір інтерес до ренію росте як на дріжджах. Він виявився одним із самих важких металів - мало не в три рази важче заліза. Тільки осмій, іридій і платина по щільності трохи перевершують реній. Характерна його риса - надзвичайна тугоплавкої: по температурі плавлення (3180 ° С) він поступається лише вольфраму. А температура його кипіння настільки висока, що до цих пір її не вдалося визначити з великим ступенем точності. Можна лише сказати, що вона близька до 6000 ° С (тільки вольфрам кипить приблизно при такий же температурі). Ще одна важлива властивість цього металу - висока Електроопір. Не менш цікаві й хімічні властивості ренію. Жоден інший елемент періодичної системи не може похвалитися тим, що, подібно ренію, має вісім різних окідов. Крім цього "октету" оксидів, де валентність ренію змінюється від 8 до 1, він - єдиний серед всіх металів - Здатний утворити іони (так звані "ренід-іони"), в яких метал негативно одновалентен. Реній дуже стійкий на повітрі: при кімнатній температурі його поверхня залишається блискучою десятки років. У цьому з ним можуть конкурувати, мабуть, лише золото, платина та інші представники "благородного сімейства".

Якщо оцінити всі метали з точки зору їх корозійної стійкості, то в цій "табелі про ранги" ренію по праву має бути надано одне з найпочесніших місць. Адже найбільш "злі" кислоти-плавикова, соляна, сірчана - не в силах з ним впоратися, хоча перед азотною кислотою він пасує.

Як бачите, властивості ренію досить різноманітні. Багатогранна і його діяльність в сучасній техніці. Мабуть, найбільш важливу роль реній грає в створенні різних кислототривких і жароміцних сплавів. Техніка XX століття пред'являє до конструкційних матеріалів все більше і більше жорсткі вимоги. Можливо, старий Хоттабич для одержання сплаву з будь-якими заданими властивостями знадобилося б лише вирвати два-три волосини зі своєї бороди. Вченим ж, що не володіє даром чарівництва, доводиться витрачати на це довгі роки, та й "витрата" волосся при цьому часом буває значно вище.

Можна з повною підставою сказати, що з тих пір, як творці сплавів взяли на озброєння реній, їм вдалося добитися чималих успіхів. У всякому разі жароміцні сплави цього металу з вольфрамом і танталіт вже встигли завоювати визнання конструкторів. Ще б пак: мало якому матеріалу по плечу зберігати при "пекельних" температурах-до 3000 ° С!-цінні механічні властивості, а для ренієві сплавів - це не проблема.

Особливий інтерес металознавців викликає "ренієві ефект "-благотворний вплив ренію на властивості вольфраму і молібдену. Справа в тому, що ці тугоплавкі метали, які не тільки не бояться високих температур, але і стійко переносять при цьому значні навантаження, у звичайних умовах (не кажучи навіть про легкому морозі) ведуть себе дуже капризно: вони крихкі і від удару можуть розлетітися на шматочки, як скло. Але виявилося, що в поєднанні з реніем вольфрам і молібден утворюють міцні сплави, що зберігають пластичність навіть при низьких температурах.

Природа "ренієві ефекту" ще недостатньо вивчена. Як вважають вчені, суть його в наступному. У процесі виробництва в вольфрам і молібден іноді проникає "інфекція"-вуглець. Оскільки в твердому стані ці метали абсолютно не розчиняють вуглець, йому нічого не залишається, як розташуватися у вигляді найтонших карбідних плівок по кордонах кристалів. Саме ці плівки і роблять метал крихким. У ренію ж з вуглецем інші "взаємини": якщо його додати до вольфраму або молібдену, то йому вдається видалити вуглець з прикордонних ділянок і перевести в твердий розчин, де той практично нешкідливий. Тепер уже для крихкості у металу немає підстав і він стає цілком пластичним. Ось чому із сплавів вольфраму і молібдену з реніем можна виготовити фольгу або дріт у кілька разів тонше людської волосини.

Для надточних навігаційних приладів, якими користуються космонавти, льотчики, моряки, необхідні так звані торсиони-найтонші (діаметром лише кілька десятків мікрон!), але на диво міцні металеві нитки. Кращим матеріалом для них вважається молібденореніевий сплав (50% ренію). Оцінити його міцність можна за таким факту: зволікання з нього перетином у 1 квадратний міліметр здатна витримати навантаження в кілька сотень кілограмів!

Сьогодні важко знайти на землі куточок, куди б не проникло ще електрику. У промисловості і сільському господарстві, на транспорті і в побуті постійно трудиться незліченну кількість електроприладів. Безліч приладів - це безліч вимикачів, безліч контактів. При роботі вимикача в ньому іноді проскакує крихітна іскорка, яку не слід вважати необразливої: повільно, але вірно вона руйнує електричний контакт, а це призводить до непередбачуваних втрат електроенергії.

Якою б не була мізерною це втрата, але помножена на мільярди контактів, вона стає величезною. Особливо важливо забезпечити стійкість контактів у тих випадках, коли вони працюють в умовах підвищеної температури або вологості, де ймовірність їх руйнування зростає. Ось чому вчені постійно шукають все більш стійкі - міцні і тугоплавкі - матеріали для виготовлення контактів.

Довгий час для цієї мети не без успіху застосовували вольфрам. Коли ж стали відомі характеристики ренію, з'ясувалося, що ренієві контакти краще вольфрамових. Так, наприклад, вольфрамові контакти витримували спільне "наступ" тропічної корозії і вібрації лише кілька діб, а потім повністю виходили з ладу; ренієві ж контакти успішно працюють в таких умовах місяці і навіть роки.

Але де ж напасти стільки ренію, щоб задовольнити їм електротехнічну промисловість? Досліди показали, що зовсім не обов'язково робити контакт з чистого ренію. Досить додати до вольфраму трохи цього металу, і ефект буде майже той самий. Зате витрати ренію скоротяться в багато раз: одного кілограма його вистачає на десятки тисяч контактів.

Один з вольфрамореніевих сплавів, що випускається нашої промисловістю, вже знайшов застосування більш ніж у 50 електровакуумних приладах. Використання цього матеріалу в катодного вузлі Електроннопроменева трубки підвищило його довговічність до 16 тисяч годин. Це означає, що якщо екран телевізора світиться в наших будинках в середньому по чотири години на день, то його катодний вузол зможе бездоганно працювати не менше 12 років.

Чудові властивості продемонстрували й інші сплави ренію - з ніобієм, нікелем, хромом, паладієм. Навіть невеликі добавки ренію підвищують, наприклад, температуру плавлення хромоникельовой сплаву приблизно на 200-250 градусів. Широким діапазоном властивостей ренієві сплавів пояснюється і різноманіття сфер їх застосування: від високочутливих термопар, які не бояться палких обіймів розплавленої сталі, до кінчиків вічних пір'я, опор компасну стрілок та інших деталей, які повинні тривалий час зберігати більшу твердість, міцність, зносостійкість.

Число сплавів ренію з іншими металами постійно зростає, причому сьогодні в підборі "партнерів" для нього значну допомога металознавця надає електронна обчислювальна техніка. За допомогою ЕОМ вже передбачені властивості багатьох подвійних сплавів ренію.

Для боротьби з корозією - вічним ворогом металу -- вчені розробили чимало способів. Хромування, нікелювання, цинкування взяті на озброєння багато років тому, а от ренірованіе - процес порівняно новий. Найтонші ренієві покриття по стійкості не знають собі рівних. Вони надійно захищають деталі від дії кислот, лугів, морської води, сірчистих з'єднань і багатьох інших небезпечних для металу речовин. Цистерни і баки, виготовлені з ренірованних сталевих листів, застосовують, наприклад, для перевезення соляної кислоти.

Ренірованіе дозволяє в кілька разів продовжити термін служби вольфрамових ниток в електролампи, електронних трубках, електровакуумних приладах. Після відкачування повітря в балоні електролампи неминуче залишаються сліди кисню і водяної пари, але вони завжди присутні і в газо наповнених лампах. На вольфрам ці непрохані гості діють разрушающе, але якщо покрити нитки ренієві "сорочкою", то водень і пари води вже не в силах вольфраму заподіяти шкоду. При цьому витрати ренію зовсім невеликий: з одного грама можна отримати сотні метрів ренірованной вольфрамової нитки.

Нова, але дуже важлива область застосування ренію -- каталіз. Металевий реній, а також багато його сплави і сполуки (оксиди, сульфіди, перренати) виявилися відмінними каталізаторами різних процесів -- окислення аміаку та метану, перетворення етилену в етан, одержання альдегідів і кетонів з спиртів, крекінгу нафти. Найбільш багатообіцяючий каталізатор -- порошкоподібний реній, здатний поглинати великі кількості водню та інших газів. На думку фахівців, у найближчі роки на каталізаціонние "потреби" буде витрачатися половина ренію, що видобувається в усьому світі.

Як ви переконалися, "безробіття" ренію НЕ загрожує. Однак шлагбаумами на шляху широкого використання його в техніці опинились?? їдкість і неуважність цього елементу в природі. У земній корі золота, наприклад, міститься в п'ять разів більше, ніж ренію, срібла - у сто раз, вольфраму - у тисячі, марганцю - майже в мільйон, а заліза - в 50 мільйонів разів більше. Про надзвичайну неуважності ренію говорить той факт, що цей елемент не має власних родовищ.

Практично єдиний мінерал, який можна назвати ренієві - Джезказгані (він знайдений поблизу казахського міста Джезказган). Звичайно ж реній зустрічається в якості домішки, наприклад, в молібдену (до 1,88%), Колумбії, колчедане та інших мінералах. Ренію в них дуже мало - лише від міліграмів до декількох грамів на тонну. Чи варто дивуватися, що подружжю Ноддак. щоб отримати перші грам порівняно чистого металевого ренію, довелося переробити понад 600 кілограмів норвезького молібденіта. За підрахунками фахівців, ренієві запаси всіх родовищ капіталістичних країн оцінюються за все в тисячу тонн.

Ще один великий "недолік" ренію - його висока вартість: він значно дорожче за золото. Проте попит на цей метал постійно зростає, особливо в останні роки, коли ним зацікавилися творці ракетної техніки.

До недавнього часу реній в нашій країні отримували тільки з мідного і молібденового сировини. Наприкінці 70-х років науковці Інституту металургії та збагачення АН Казахської РСР створили технологію отримання цього цінного металу з напівпродуктів свинцевого виробництва. В основі нової технології лежать іонообмінні процеси, які дозволяють одержувати дуже чистий метал, що володіє високими фізико-хімічними властивостями.

... У 1960 році в Інститут металургії імені А.А. Байкова Академії наук СРСР приїхали іноземні гості. Здавалося б, для працівників інституту, що має світове значення, в цьому факті не було нічого примітного - тут звикли до візитів закордонних колег будь-якого рангу. Проте гості, про які йде мова, - посивілий подружня пара -- викликали особливу повагу: це були приїхали до Москви подружжя Ноддак. Довго ходили вони по кімнатах лабораторії рідкісних і тугоплавких металів і сплавів. Їх інтерес був зрозумілий: вчені лабораторії під керівництвом члена-кореспондента Академії наук СРСР Е.М. Савицького вже кілька років займалися дослідженням ренію і зуміли отримати досить важливі результати.

чудовому металу треба було в стінах інституту розкрити нові грані свого обдарування, знайти нові професії, і, звичайно ж, подружжя Ноддак не могла не хвилювати подальша доля їхнього дітища.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/