Rhenium wird in Sternen hauptsächlich durch den r-Prozess (schnelle Neutroneneinfang) synthetisiert, der bei kataklysmischen Ereignissen wie Supernovae und Neutronensternverschmelzungen auftritt. Als schweres Element mit ungerader Ordnungszahl (Z=75) wird es weniger effizient produziert als seine geradzahligen Nachbarn (Wolfram-74 und Osmium-76) gemäß der Oddo-Harkins-Regel. Rhenium zeigt einen signifikanten Beitrag des s-Prozesses (langsamer Neutroneneinfang), der in AGB-Sternen (asymptotische Riesen) stattfindet, aber der r-Prozess dominiert mit einem geschätzten Anteil von 70-80% an seiner solaren Häufigkeit.
Die kosmische Häufigkeit von Rhenium beträgt etwa 5,0×10⁻¹³ der von Wasserstoff in Atomzahl, was es zu einem der seltensten natürlichen Elemente macht, vergleichbar mit Gold und Platin, und etwa 10-mal seltener als Wolfram. Seine extreme Seltenheit erklärt sich durch seine ungerade Ordnungszahl und seine dominante Produktion durch den r-Prozess, der seltener ist als der s-Prozess. Im Sonnensystem ist Rhenium eines der am wenigsten häufigen Elemente mit einer geschätzten Häufigkeit von etwa 0,5 ppb (parts per billion) in der Erdkruste.
Das isotopische Rhenium-Osmium-System (¹⁸⁷Re → ¹⁸⁷Os) ist ein wichtiges chronologisches Werkzeug in der Geochemie und Kosmochemie. Rhenium-187 ist ein radioaktives Isotop (Halbwertszeit von 41,6 Milliarden Jahren), das durch Betazerfall zu Osmium-187 zerfällt. Die Bedeutung dieses Systems liegt im grundlegenden geochemischen Unterschied zwischen diesen beiden Elementen: Rhenium ist mäßig siderophil (bevorzugt Metall) und chalkophil (bevorzugt Sulfide), während Osmium stark siderophil ist. Daher variiert das Re/Os-Verhältnis während der Bildung des Erdkerns und der Differenzierung planetarer Körper beträchtlich zwischen Mantel und Kern.
Das Re-Os-System wird zur Datierung einer Vielzahl geologischer Prozesse verwendet: Bildung des Erdkerns, Alter von Mantelgesteinen, Metallogenie von Sulfidlagerstätten und Ursprung von Erdölen. In Meteoriten liefern Re-Os-Messungen Informationen über frühe Differenzierungsprozesse im Sonnensystem. Das System ist besonders nützlich zur Datierung ultramafischer Gesteine (reich an Olivin) und Sulfide, die mit anderen Methoden schwer zu datieren sind. Das ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os-Verhältnis ist ein starker Tracer für die Entwicklung des Erdmantels und die Krustenkontamination.
Rhenium ist nach dem Rhein (lateinisch: Rhenus) benannt, dem europäischen Fluss, der durch mehrere Länder, darunter Deutschland, fließt. Dieser Name wurde von seinen Entdeckern, den deutschen Chemikern Walter Noddack, Ida Tacke und Otto Berg, gewählt, um die Rheinregion zu ehren, eine wichtige industrielle und wissenschaftliche Region Deutschlands. Die Namenswahl folgte der Tradition, Elemente nach geografischen Orten zu benennen, obwohl nur wenige Elemente nach Flüssen benannt sind.
Rhenium wurde 1925 von den deutschen Chemikern Walter Noddack (1893-1960), Ida Tacke (die später Ida Noddack wurde, 1896-1978) und Otto Berg (1873-1939) am Institut für Physik und Technologie in Berlin entdeckt. Sie analysierten Platin- und Columbit-Erze auf der Suche nach den fehlenden Elementen 43 (Technetium) und 75 (Rhenium), die vom Periodensystem von Mendeleev vorhergesagt wurden. Mit Röntgenspektroskopie entdeckten sie die charakteristischen Linien des Elements 75 in Columbit und isolierten es aus Gadolinit. 1928 gelang es ihnen, 1 Gramm Rhenium aus 660 kg Molybdänit zu extrahieren.
Die erste bedeutende Produktion von Rhenium erfolgte 1928. Die ersten Anwendungen waren aufgrund der extremen Seltenheit und der hohen Kosten des Metalls begrenzt. Erst nach dem Zweiten Weltkrieg wurden effizientere Produktionsmethoden entwickelt, hauptsächlich als Nebenprodukt der Verarbeitung von Molybdän- und Kupfererzen. Die wahre industrielle Bedeutung von Rhenium wurde erst in den 1950er-1960er Jahren mit der Entwicklung von Superlegierungen für Gasturbinen erkannt.
Rhenium ist eines der seltensten natürlichen Elemente auf der Erde mit einer geschätzten Krustenhäufigkeit von etwa 0,7 ppb (parts per billion). Es gibt keine primären Rhenium-Bergwerke; es wird immer als Nebenprodukt der Verarbeitung anderer Metalle gewonnen, hauptsächlich:
Die weltweite Rheniumproduktion beträgt etwa 50 bis 60 Tonnen pro Jahr. Die Hauptproduzenten sind Chile (etwa 50% der Weltproduktion), die USA, Polen, Kasachstan und Armenien. Aufgrund seiner extremen Seltenheit und strategischen Anwendungen ist Rhenium eines der teuersten Metalle mit typischen Preisen von 1.000 bis 3.000 Dollar pro Kilogramm (oder mehr bei Versorgungsengpässen). Die Nachfrage wird hauptsächlich von der Luftfahrtindustrie (Superlegierungen) und der Petrochemie (Katalysatoren) getrieben.
Rhenium (Symbol Re, Ordnungszahl 75) ist ein Übergangsmetall der 6. Periode, das in der Gruppe 7 (früher VIIB) des Periodensystems steht, zusammen mit Mangan und Technetium. Sein Atom hat 75 Protonen, in der Regel 112 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{187}\mathrm{Re}\)) und 75 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s². Diese Konfiguration weist fünf Elektronen in der 5d-Unterschale und zwei in der 6s-Unterschale auf, mit einer halbgefüllten 5d-Unterschale (5 von 10 Elektronen), was zu seiner Stabilität beiträgt.
Rhenium ist ein silberweißes, glänzendes, sehr dichtes (21,02 g/cm³), hartes Metall mit dem dritthöchsten Schmelzpunkt aller Elemente nach Wolfram und Kohlenstoff. Es hat eine hexagonale, dicht gepackte (hdp) Kristallstruktur bei Raumtemperatur. Rhenium hat einen sehr hohen Elastizitätsmodul (etwa 463 GPa), eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Duktilität (für ein refraktäres Metall). Seine elektrische Leitfähigkeit ist mäßig (etwa 28% der von Kupfer) und seine Wärmeleitfähigkeit ist gut.
Rhenium schmilzt bei 3186 °C (3459 K) - der dritthöchste Schmelzpunkt aller Elemente - und siedet bei 5596 °C (5869 K). Es hat den größten flüssigen Temperaturbereich aller Elemente (2410 °C zwischen Schmelz- und Siedepunkt). Rhenium behält seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen besser als fast alle anderen Metalle und hat eine gute Kriechbeständigkeit bis zu sehr hohen Temperaturen.
Bei Raumtemperatur ist Rhenium relativ inert und korrosionsbeständig durch eine dünne Schutzoxidschicht. Es löst sich nicht in verdünnter Salzsäure oder Schwefelsäure, wird aber von konzentrierter Salpetersäure und Königswasser angegriffen. Bei hohen Temperaturen oxidiert es zu Rheniumheptoxid (Re₂O₇), einem sehr flüchtigen gelben Feststoff. Rhenium reagiert mit Halogenen, Schwefel, Phosphor und anderen Nichtmetallen bei hohen Temperaturen.
Schmelzpunkt von Rhenium: 3459 K (3186 °C) - 3. höchster unter den Elementen.
Siedepunkt von Rhenium: 5869 K (5596 °C).
Dichte: 21,02 g/cm³ - eines der dichtesten Metalle.
Kristallstruktur bei Raumtemperatur: Hexagonal dicht gepackt (hdp).
Elastizitätsmodul: 463 GPa - sehr steif.
Härte: 7,0 auf der Mohs-Skala.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rhenium-185 — \(\,^{185}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 110 | 184,952955 u | ≈ 37,40 % | Stabil | Stabiles Isotop, in einigen industriellen und Forschungsanwendungen verwendet. |
| Rhenium-187 — \(\,^{187}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 112 | 186,955753 u | ≈ 62,60 % | 4,16×10¹⁰ Jahre | Beta-minus radioaktiv mit sehr langer Halbwertszeit. In der Geochronologie (Re-Os-System) verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Rhenium hat 75 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s² hat eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) und fünf Elektronen in der 5d-Unterschale. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(7), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁵ 6s².
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 32 Elektronen, verteilt als 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁵. Die vollständig gefüllte 4f-Unterschale und die fünf 5d-Elektronen (halbgefüllt) verleihen Rhenium seine Übergangsmetalleigenschaften.
P-Schale (n=6): enthält 7 Elektronen in den 6s²- und 5d⁵-Unterschalen.
Rhenium hat effektiv 7 Valenzelektronen: zwei 6s²-Elektronen und fünf 5d⁵-Elektronen. Rhenium zeigt eine breite Palette von Oxidationszuständen, von -3 bis +7, wobei die Zustände +7, +6, +4 und +3 am häufigsten und stabilsten sind.
Im Oxidationszustand +7 verliert Rhenium seine beiden 6s-Elektronen und seine fünf 5d-Elektronen, um das Re⁷⁺-Ion mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ zu bilden. Dieser Zustand wird durch Verbindungen wie Re₂O₇ (Rheniumheptoxid) und Perrhenate (ReO₄⁻) repräsentiert. Der Zustand +6 ist in Verbindungen wie ReO₃ und Hexahalogenidkomplexen [ReCl₆]²⁻ bekannt. Der Zustand +4 ist in Verbindungen wie ReO₂ und ReS₂ wichtig. Der Zustand +3 und niedrigere Zustände finden sich oft in Koordinationskomplexen.
Rhenium hat eine besonders reiche Chemie aufgrund dieser großen Vielfalt an Oxidationszuständen und seiner Fähigkeit, multiple Bindungen mit Sauerstoff, Halogenen und anderen Liganden zu bilden. Rheniumkomplexe werden wegen ihrer katalytischen, photophysikalischen und medizinischen Eigenschaften untersucht. Die halbgefüllte 5d⁵-Konfiguration im atomaren Zustand trägt zur Stabilität bestimmter Oxidationszustände und zur Bildung von Verbindungen mit interessanten magnetischen Eigenschaften bei.
Bei Raumtemperatur ist Rhenium aufgrund einer dünnen Schutzoxidschicht an der Luft stabil. Bei hohen Temperaturen (über 300 °C) oxidiert es zu Rheniumheptoxid (Re₂O₇): 4Re + 7O₂ → 2Re₂O₇. Re₂O₇ ist ein blassgelber, sehr flüchtiger Feststoff (sublimiert bei 360 °C) und hygroskopisch, der sich in Wasser zu Perrhensäure (HReO₄) löst. Im Gegensatz zu den meisten Metallen bildet Rhenium bei hohen Temperaturen kein stabiles Schutzoxid, was seine Verwendung ohne Schutz in oxidierenden Atmosphären bei hohen Temperaturen einschränkt.
Metallisches Rhenium ist gegen die meisten kalten Säuren beständig:
Rhenium löst sich in oxidierenden alkalischen Lösungen (wie NaOH + H₂O₂) unter Bildung von Perrhenaten.
Rhenium reagiert bei mäßigen Temperaturen mit Halogenen zu Halogeniden. Mit Fluor bildet es ReF₆ (Hexafluorid, gelbe Flüssigkeit) und ReF₇ (Heptafluorid, gelber Feststoff). Mit Chlor bildet es ReCl₅ (Pentachlorid, braunschwarzer Feststoff) und ReCl₃ (Trichlorid, roter Feststoff). Rhenium reagiert bei hohen Temperaturen mit Schwefel zu Rheniumdisulfid (ReS₂, Schichtstruktur ähnlich Graphit), mit Phosphor zu Phosphiden und mit Kohlenstoff zu Rheniumcarbid (ReC). Es bildet auch Silizide, Boride und Nitride.
Die bemerkenswerteste Eigenschaft von Rhenium ist seine einzigartige Kombination mechanischer Eigenschaften bei hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu den meisten Metallen, die mit steigender Temperatur schnell an Festigkeit und Duktilität verlieren, behält Rhenium:
Diese Eigenschaften, kombiniert mit seinem sehr hohen Schmelzpunkt, machen Rhenium zu einem idealen Material für Anwendungen bei sehr hohen Temperaturen, insbesondere in Superlegierungen für Turbinen.
Die wichtigste Anwendung von Rhenium ist seine Verwendung in Nickelbasis-Superlegierungen für Gasturbinen in Flugtriebwerken. Etwa 70% der weltweiten Rheniumproduktion wird für diesen Zweck verwendet. Superlegierungen mit Rhenium sind in fast allen modernen zivilen und militärischen Flugtriebwerken verbaut und ermöglichen spektakuläre Verbesserungen in Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit.
Die Zugabe von Rhenium (typischerweise 3-6 Gew.-%) zu Nickelbasis-Superlegierungen verbessert mehrere kritische Eigenschaften:
Legierungen mit Rhenium ermöglichen:
Ein typisches modernes ziviles Flugtriebwerk enthält 1-2 kg Rhenium, hauptsächlich in Hochdruck-Turbinenschaufeln.
Die zweitwichtigste Anwendung von Rhenium ist seine Verwendung als Katalysator im katalytischen Reformieren, einem Schlüsselprozess in der Erdölraffination, der schwere Naphtha-Fraktionen (niedrige Oktanzahl) in hochoktanige Produkte für Benzin umwandelt. Etwa 20% der weltweiten Rheniumproduktion wird für diesen Zweck verwendet.
Moderne Reformierungskatalysatoren sind typischerweise bimetallisch und enthalten Platin (0,3-0,6%) und Rhenium (0,3-0,4%) auf chloriertem Aluminiumoxid. Rhenium verbessert die Leistung von Platin considerably durch:
Pt-Re-Katalysatoren ermöglichen:
Ein typischer Reformierreaktor enthält mehrere Tonnen Katalysator mit einigen Kilogramm Rhenium pro Tonne Katalysator. Gebrauchte Katalysatoren werden regeneriert und recycelt, wobei ein Teil des Rheniums und Platins zurückgewonnen wird.
Thermoelemente vom Typ W/Re (Wolfram-Rhenium) sind die einzigen metallischen Thermoelemente, die Temperaturen bis zu 2300 °C messen können. Sie verwenden Wolfram-Rhenium-Legierungen als thermoelektrische Paare:
Rhenium wird für Filamente in Röntgenröhren (oft legiert mit Wolfram) und als Anodenmaterial in Röntgenröhren und Röntgenfluoreszenz-Spektrometriegeräten verwendet. Sein hoher Schmelzpunkt ermöglicht höhere Leistungen und längere Lebensdauern.
Rhenium-Molybdän- und Rhenium-Wolfram-Legierungen werden für elektrische Kontakte in Hochleistungs-Schaltern, Relais und Leistungsschaltern verwendet. Rhenium verbessert die Beständigkeit gegen Lichtbögen und reduziert den Kontaktverschleiß.
Das Isotop Rhenium-188 (¹⁸⁸Re, Halbwertszeit 17 Stunden) wird in der Nuklearmedizin für die Strahlentherapie verwendet. Es emittiert hochenergetische Beta-Teilchen (max. 2,12 MeV) und Gamma-Strahlen (155 keV), die eine Bildgebung ermöglichen. ¹⁸⁸Re wird zur Behandlung von Krebs (Leber, Knochen) und metastatischen Schmerzen eingesetzt. Es wird aus Wolfram-188 (¹⁸⁸W/¹⁸⁸Re-Generator) hergestellt.
Rhenium wird in Raumfahrtantriebssystemen verwendet:
Metallisches Rhenium und seine unlöslichen Verbindungen weisen eine geringe bis mäßige chemische Toxizität auf. Einige lösliche Rheniumverbindungen, insbesondere Perrhenate (ReO₄⁻), sind jedoch mäßig toxisch. Perrhensäure (HReO₄) ist ätzend. Rheniumstaub kann mechanische Reizungen verursachen. Für Rhenium wurden keine klaren karzinogenen Effekte nachgewiesen.
Radioaktive Rheniumisotope (wie ¹⁸⁶Re und ¹⁸⁸Re, die in der Nuklearmedizin verwendet werden) erfordern beim Umgang und bei der Anwendung Strahlenschutzmaßnahmen. Natürlich radioaktives Rhenium-187 weist aufgrund seiner sehr langen Halbwertszeit (41,6 Milliarden Jahre) eine sehr geringe Aktivität auf und stellt kein signifikantes radiologisches Risiko dar.
Der Hauptumwelteinfluss von Rhenium steht im Zusammenhang mit der Gewinnung und Verarbeitung von Molybdän- und Kupfererzen, aus denen es als Nebenprodukt gewonnen wird. Flotations-, Laugungs- und Schmelzprozesse erzeugen Abfälle, Abwässer und Emissionen, die kontrolliert werden müssen. Da Rhenium jedoch in sehr geringen Mengen (einige Dutzend Tonnen pro Jahr) produziert wird, ist sein direkter Umwelteinfluss im Vergleich zu in großen Mengen produzierten Metallen begrenzt.
Rhenium wird aus mehreren Quellen recycelt:
Die Recyclingquote wird auf 20-30% geschätzt. Das Recycling ist aufgrund des hohen Rheniumpreises wirtschaftlich attraktiv, technisch jedoch aufgrund der geringen Konzentrationen in den Abfällen schwierig. Die Recyclingmethoden umfassen hydrometallurgische (Lösung, Lösungsmittelextraktion, Ionenaustausch) und pyrometallurgische Verfahren.
Die berufliche Exposition gegenüber Rhenium erfolgt hauptsächlich in Produktions- und Recyclinganlagen, bei Herstellern von Superlegierungen und Katalysatoren sowie in Einrichtungen, die W/Re-Thermoelemente verwenden. Die Hauptexpositionswege sind das Einatmen von Stäuben und Dämpfen. Spezifische berufliche Expositionsgrenzwerte für Rhenium sind im Allgemeinen nicht festgelegt, aber die allgemeinen Empfehlungen für Schwermetallstäube gelten.
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