El renio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso r (captura rápida de neutrones) que ocurre durante eventos cataclísmicos como supernovas y fusiones de estrellas de neutrones. Como elemento pesado con un número atómico impar (Z=75), se produce menos eficientemente que sus vecinos pares (tungsteno-74 y osmio-76) según la regla de Oddo-Harkins. El renio presenta una contribución significativa del proceso s (captura lenta de neutrones) que ocurre en estrellas AGB (gigantes asintóticas), pero la contribución del proceso r domina, estimada en un 70-80% de su abundancia solar.
La abundancia cósmica del renio es de aproximadamente 5,0×10⁻¹³ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo convierte en uno de los elementos naturales más raros, comparable al oro y al platino, y unas 10 veces más raro que el tungsteno. Su extrema rareza se explica por su número atómico impar y su producción dominante por el proceso r, que es menos frecuente que el proceso s. En el sistema solar, el renio es uno de los elementos menos abundantes, con una abundancia estimada de aproximadamente 0,5 ppb (partes por mil millones) en la corteza terrestre.
El sistema isotópico renio-osmio (¹⁸⁷Re → ¹⁸⁷Os) es una herramienta cronológica importante en geoquímica y cosmoquímica. El renio-187 es un isótopo radiactivo (vida media de 41.600 millones de años) que se desintegra en osmio-187 por desintegración beta. La importancia de este sistema radica en la diferencia geoquímica fundamental entre estos dos elementos: el renio es moderadamente siderófilo (prefiere el metal) y calcófilo (prefiere los sulfuros), mientras que el osmio es fuertemente siderófilo. Así, durante la formación del núcleo terrestre y la diferenciación de los cuerpos planetarios, la relación Re/Os varía considerablemente entre el manto y el núcleo.
El sistema Re-Os se utiliza para datar una variedad de procesos geológicos: formación del núcleo terrestre, edad de las rocas del manto, metalogenia de los yacimientos de sulfuros y origen de los petróleos. En los meteoritos, las mediciones Re-Os proporcionan información sobre los procesos de diferenciación temprana en el sistema solar. El sistema es particularmente útil para datar rocas ultramáficas (ricas en olivino) y sulfuros, que son difíciles de datar por otros métodos. La relación ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os es un trazador potente de la evolución del manto terrestre y la contaminación cortical.
El renio toma su nombre del Rin (en latín: Rhenus), el río europeo que atraviesa varios países, incluyendo Alemania. Este nombre fue elegido por sus descubridores, los químicos alemanes Walter Noddack, Ida Tacke y Otto Berg, para honrar la región renana, una importante región industrial y científica de Alemania. La elección del nombre siguió la tradición de nombrar los elementos según lugares geográficos, aunque pocos elementos llevan el nombre de ríos.
El renio fue descubierto en 1925 por los químicos alemanes Walter Noddack (1893-1960), Ida Tacke (que más tarde se convirtió en Ida Noddack, 1896-1978) y Otto Berg (1873-1939) en el Instituto de Física y Tecnología de Berlín. Analizaron minerales de platino y columbita en busca de los elementos faltantes 43 (tecncio) y 75 (renio) predichos por la tabla periódica de Mendeleev. Utilizando espectroscopia de rayos X, detectaron las líneas características del elemento 75 en la columbita y lo aislaron a partir de la gadolinita. En 1928, lograron extraer 1 gramo de renio a partir de 660 kg de molibdenita.
La primera producción significativa de renio se realizó en 1928. Las primeras aplicaciones fueron limitadas debido a la extrema rareza y alto costo del metal. No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que se desarrollaron métodos de producción más eficientes, principalmente como subproducto del tratamiento de minerales de molibdeno y cobre. La verdadera importancia industrial del renio no fue reconocida hasta las décadas de 1950-1960 con el desarrollo de superaleaciones para turbinas de gas.
El renio es uno de los elementos naturales más raros en la Tierra, con una abundancia cortical estimada en aproximadamente 0,7 ppb (partes por mil millones). No existen yacimientos mineros primarios de renio; siempre se recupera como subproducto del tratamiento de otros metales, principalmente:
La producción mundial de renio es de aproximadamente 50 a 60 toneladas por año. Los principales productores son Chile (alrededor del 50% de la producción mundial), Estados Unidos, Polonia, Kazajistán y Armenia. Debido a su extrema rareza y aplicaciones estratégicas, el renio es uno de los metales más caros, con precios típicos de 1.000 a 3.000 dólares por kilogramo (o más durante tensiones de suministro). La demanda está impulsada principalmente por la industria aeronáutica (superaleaciones) y la petroquímica (catalizadores).
El renio (símbolo Re, número atómico 75) es un metal de transición del 6º período, ubicado en el grupo 7 (antiguamente VIIB) de la tabla periódica, con el manganeso y el tecncio. Su átomo tiene 75 protones, generalmente 112 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{187}\mathrm{Re}\)) y 75 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s². Esta configuración presenta cinco electrones en la subcapa 5d y dos en la 6s, con una subcapa 5d medio llena (5 electrones de 10), lo que contribuye a su estabilidad.
El renio es un metal blanco plateado, brillante, muy denso (21,02 g/cm³), duro y con el tercer punto de fusión más alto de todos los elementos después del tungsteno y el carbono. Presenta una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. El renio tiene un módulo de elasticidad muy alto (aproximadamente 463 GPa), alta resistencia a la tracción y buena ductilidad (para un metal refractario). Su conductividad eléctrica es moderada (aproximadamente el 28% de la del cobre) y su conductividad térmica es buena.
El renio se funde a 3186 °C (3459 K) - el tercer punto de fusión más alto entre los elementos - y hierve a 5596 °C (5869 K). Presenta el rango de temperatura líquida más amplio de todos los elementos (2410 °C entre fusión y ebullición). El renio conserva sus propiedades mecánicas a alta temperatura mejor que casi todos los demás metales, con buena resistencia al fluencia hasta temperaturas muy altas.
A temperatura ambiente, el renio es relativamente inerte y resistente a la corrosión gracias a una fina capa de óxido protectora. No se disuelve en ácido clorhídrico o sulfúrico diluido, pero es atacado por ácido nítrico concentrado y agua regia. A alta temperatura, se oxida para formar heptóxido de renio (Re₂O₇), un sólido amarillo muy volátil. El renio reacciona con halógenos, azufre, fósforo y otros no metales a alta temperatura.
Punto de fusión del renio: 3459 K (3186 °C) - 3º más alto entre los elementos.
Punto de ebullición del renio: 5869 K (5596 °C).
Densidad: 21,02 g/cm³ - uno de los metales más densos.
Estructura cristalina a temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
Módulo de elasticidad: 463 GPa - muy rígido.
Dureza: 7,0 en la escala de Mohs.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Renio-185 — \(\,^{185}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 110 | 184,952955 u | ≈ 37,40 % | Estable | Isótopo estable, utilizado en algunas aplicaciones industriales y de investigación. |
| Renio-187 — \(\,^{187}\mathrm{Re}\,\) | 75 | 112 | 186,955753 u | ≈ 62,60 % | 4,16×10¹⁰ años | Radiactivo beta menos (β⁻) con vida media muy larga. Utilizado en geocronología (sistema Re-Os). |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El renio tiene 75 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴ 5d⁵ 6s² presenta una subcapa 4f completamente llena (14 electrones) y cinco electrones en la subcapa 5d. Esta configuración también se puede escribir como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(7), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁵ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos como 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 32 electrones distribuidos como 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁵. La subcapa 4f completamente llena y los cinco electrones 5d (medio llena) confieren al renio sus propiedades de metal de transición.
Capa P (n=6): contiene 7 electrones en las subcapas 6s² y 5d⁵.
El renio tiene efectivamente 7 electrones de valencia: dos electrones 6s² y cinco electrones 5d⁵. El renio presenta una amplia gama de estados de oxidación, desde -3 hasta +7, siendo los estados +7, +6, +4 y +3 los más comunes y estables.
En el estado de oxidación +7, el renio pierde sus dos electrones 6s y sus cinco electrones 5d para formar el ion Re⁷⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁴. Este estado está representado por compuestos como Re₂O₇ (heptóxido de renio) y los perrenatos (ReO₄⁻). El estado +6 se conoce en compuestos como ReO₃ y los complejos hexahalogenuros [ReCl₆]²⁻. El estado +4 es importante en compuestos como ReO₂ y ReS₂. El estado +3 y los estados inferiores se encuentran a menudo en complejos de coordinación.
El renio presenta una química particularmente rica debido a esta gran variedad de estados de oxidación y su capacidad para formar múltiples enlaces con oxígeno, halógenos y otros ligandos. Los complejos de renio se estudian por sus propiedades catalíticas, fotofísicas y medicinales. La configuración 5d⁵ medio llena en el estado atómico contribuye a la estabilidad de ciertos estados de oxidación y a la formación de compuestos con propiedades magnéticas interesantes.
A temperatura ambiente, el renio es estable al aire gracias a una fina capa de óxido protectora. A alta temperatura (por encima de 300 °C), se oxida para formar heptóxido de renio (Re₂O₇): 4Re + 7O₂ → 2Re₂O₇. Re₂O₇ es un sólido amarillo pálido muy volátil (sublima a 360 °C) e higroscópico, que se disuelve en agua para formar ácido perrénico (HReO₄). A diferencia de la mayoría de los metales, el renio no forma un óxido protector estable a alta temperatura, lo que limita su uso sin protección en atmósferas oxidantes a alta temperatura.
El renio metálico es resistente a la mayoría de los ácidos fríos:
El renio se disuelve en soluciones alcalinas oxidantes (como NaOH + H₂O₂) para formar perrenatos.
El renio reacciona con los halógenos a temperatura moderada para formar halogenuros. Con el flúor, forma ReF₆ (hexafluoruro, líquido amarillo) y ReF₇ (heptafluoruro, sólido amarillo). Con el cloro, forma ReCl₅ (pentacloruro, sólido marrón-negro) y ReCl₃ (tricloruro, sólido rojo). El renio reacciona con el azufre a alta temperatura para formar el sulfuro ReS₂ (estructura laminar similar al grafito), con el fósforo para formar fosfuros, y con el carbono para formar el carburo ReC. También forma siliciuros, boruros y nitruros.
La propiedad más notable del renio es su combinación única de propiedades mecánicas a alta temperatura. A diferencia de la mayoría de los metales, que pierden rápidamente su resistencia y ductilidad con el aumento de la temperatura, el renio conserva:
Estas propiedades, combinadas con su punto de fusión muy alto, hacen del renio un material ideal para aplicaciones a muy alta temperatura, en particular en superaleaciones para turbinas.
La aplicación más importante del renio es su uso en superaleaciones a base de níquel para turbinas de gas en motores de avión. Aproximadamente el 70% de la producción mundial de renio se utiliza con este fin. Las superaleaciones que contienen renio equipan prácticamente todos los motores de aviones comerciales y militares modernos, permitiendo ganancias espectaculares en rendimiento, eficiencia y fiabilidad.
La adición de renio (típicamente 3-6% en peso) a las superaleaciones a base de níquel mejora varias propiedades críticas:
Las aleaciones que contienen renio permiten:
Un motor de avión comercial moderno típico contiene 1-2 kg de renio, principalmente en los álabes de turbina de alta presión.
La segunda aplicación más importante del renio es su uso como catalizador en el reformado catalítico, un proceso clave en el refinado del petróleo que convierte las naftas pesadas (bajo índice de octano) en productos de alto índice de octano para la gasolina. Aproximadamente el 20% de la producción mundial de renio se utiliza con este fin.
Los catalizadores modernos de reformado son típicamente bimétalicos, conteniendo platino (0,3-0,6%) y renio (0,3-0,4%) soportados sobre alúmina clorada. El renio mejora considerablemente el rendimiento del platino al:
Los catalizadores Pt-Re permiten:
Un reactor de reformado típico contiene varias toneladas de catalizador, con unos pocos kilogramos de renio por tonelada de catalizador. Los catalizadores usados se regeneran y reciclan, recuperando parte del renio y del platino.
Los termopares de tipo W/Re (tungsteno-renio) son los únicos termopares metálicos capaces de medir temperaturas hasta 2300 °C. Utilizan aleaciones de tungsteno y renio como pares termoeléctricos:
El renio se utiliza para los filamentos de los tubos de rayos X (a menudo en aleación con tungsteno) y como material de blanco (ánodo) en los tubos de rayos X y dispositivos de espectrometría de fluorescencia de rayos X. Su alta temperatura de fusión permite potencias más altas y una mayor vida útil.
Las aleaciones de renio-molibdeno y renio-tungsteno se utilizan para contactos eléctricos en interruptores, relés y disyuntores de alto rendimiento. El renio mejora la resistencia al arco eléctrico y reduce la erosión de los contactos.
El isótopo renio-188 (¹⁸⁸Re, vida media 17 horas) se utiliza en medicina nuclear para radioterapia. Emite partículas beta de alta energía (2,12 MeV máximo) y rayos gamma (155 keV) que permiten la imagen. ¹⁸⁸Re se utiliza para el tratamiento de cánceres (hígado, huesos) y dolores metastásicos. Se produce a partir de tungsteno-188 (generador ¹⁸⁸W/¹⁸⁸Re).
El renio se utiliza en sistemas de propulsión espacial:
El renio metálico y sus compuestos insolubles presentan una toxicidad química baja a moderada. Sin embargo, algunos compuestos solubles de renio, en particular los perrenatos (ReO₄⁻), presentan una toxicidad moderada. El ácido perrénico (HReO₄) es corrosivo. Las partículas de renio pueden causar irritaciones mecánicas. No se ha demostrado claramente ningún efecto cancerígeno para el renio.
Los isótopos radiactivos del renio (como ¹⁸⁶Re y ¹⁸⁸Re utilizados en medicina nuclear) requieren precauciones de radioprotección durante su manipulación y uso. El renio-187, naturalmente radiactivo, presenta una actividad muy baja debido a su vida media muy larga (41.600 millones de años) y no representa un riesgo radiológico significativo.
El principal impacto ambiental del renio está relacionado con la extracción y el tratamiento de los minerales de molibdeno y cobre de los que es un subproducto. Los procesos de flotación, lixiviación y fusión generan residuos, aguas residuales y emisiones que deben controlarse. Sin embargo, como el renio se produce en cantidades muy pequeñas (unas pocas decenas de toneladas por año), su impacto ambiental directo es limitado en comparación con los metales producidos en grandes cantidades.
El renio se recicla a partir de varias fuentes:
La tasa de reciclaje se estima en un 20-30%. El reciclaje es económicamente atractivo debido al alto precio del renio, pero técnicamente difícil debido a las bajas concentraciones en los residuos. Los métodos de reciclaje incluyen procesos hidrometalúrgicos (disolución, extracción por solventes, intercambio iónico) y pirometalúrgicos.
La exposición profesional al renio ocurre principalmente en plantas de producción y reciclaje, fabricantes de superaleaciones y catalizadores, e instalaciones que utilizan termopares W/Re. Las principales vías de exposición son la inhalación de polvo y humos. Generalmente no se establecen límites específicos de exposición profesional para el renio, pero se aplican recomendaciones generales para el polvo de metales pesados.
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