Reni

Reni
75Re
tungstè ← reni → osmi Tc ↑ Re ↓ Bh Taula periòdica
Aspecte
Blanc platejat Barres de cristall de reni i un cub d'1 cm³ Línies espectrals del reni
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Reni, Re, 75
Categoria d'elements	Metalls de transició
Grup, període, bloc	7, 6, d
Pes atòmic estàndard	186,207
Configuració electrònica	[Xe] 4f14 5d5 6s2 2, 8, 18, 32, 13, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	21,02 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	18,9 g·cm−3
Punt de fusió	3.459 K, 3.186 °C
Punt d'ebullició	5.869 K, 5.596 °C
Entalpia de fusió	60,43 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	704 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	25,48 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 3.303 3.614 4.009 4.500 5.127 5.954
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1 (òxid àcid feble)
Electronegativitat	1,9 (escala de Pauling)
Energies d'ionització (més)	1a: 760 kJ·mol−1
	2a: 1.260 kJ·mol−1
	3a: 2.510 kJ·mol−1
Radi atòmic	137 pm
Radi covalent	151±7 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Ordenació magnètica	Paramagnètic
Resistivitat elèctrica	(20 °C) 193 nΩおめが·m
Conductivitat tèrmica	48,0 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	6,2 µm/(m·K)
Velocitat del so (barra prima)	(20 °C) 4.700 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	463 GPa
Mòdul de cisallament	178 GPa
Mòdul de compressibilitat	370 GPa
Coeficient de Poisson	0,30
Duresa de Mohs	7,0
Duresa de Vickers	2.450 MPa
Duresa de Brinell	1.320 MPa
Nombre CAS	7440-15-5
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del reni
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 185Re 37,4% 185Re és estable amb 110 neutrons 187Re 62,6% 4,12×1010 a αあるふぁ 1,653 183Ta βべーた− 0,0026 187Os

El reni és un element químic amb el símbol Re i el nombre atòmic 75. És un metall de transició de tercera fila de color gris platejat, pesat, del grup 7 de la taula periòdica. Amb una concentració mitjana estimada d'1 part per mil milions (ppb), el reni és un dels elements més rars de l'escorça terrestre. El reni té el tercer punt de fusió més alt i el segon punt d'ebullició més alt de qualsevol element a 5869 K. El reni s'assembla químicament al manganès i al tecneci i s'obté principalment com a subproducte de l'extracció i refinament de minerals de molibdè i coure. El reni mostra en els seus compostos una gran varietat d'estats d'oxidació que van de -1 a +7.

Descobert per Walter Noddack, Ida Tacke i Otto Berg el 1925, el reni va ser l'últim element estable que es va descobrir. Va rebre el nom del riu Rin a Europa, del qual s'havien obtingut les primeres mostres i es van treballar comercialment.

Els superaliatges de reni a base de níquel s'utilitzen a les cambres de combustió, les pales de les turbines i els broquets d'escapament dels motors de reacció. Aquests aliatges contenen fins a un 6% de reni, cosa que fa que la construcció de motors de reacció sigui el principal ús de l'element. El segon ús més important és com a catalitzador: el reni és un excel·lent catalitzador per a la hidrogenació i isomerització, i s'utilitza, per exemple, en el reformat catalític de la nafta per al seu ús en gasolina (procés de reniformació). A causa de la baixa disponibilitat en relació a la demanda, el reni és car, amb un preu que va assolir un màxim històric el 2008/2009 de 10.600 dòlars per quilogram (4.800 dòlars per lliura). A causa dels augments en el reciclatge de reni i una caiguda de la demanda de reni en els catalitzadors, el preu del reni havia baixat a 2.844 dòlars per quilogram (1.290 dòlars per lliura) al juliol de 2018.

Història

Medalla "Fidelitas ad scientiam" - W. Noddack I. Tacke i O. Berg del International Symposium on Technetium and Rhenium.

A principis del segle xx la taula periòdica tenia dos llocs vacants per sota del manganès, al grup 7è períodes 5 i 6, i la troballa d'aquests elements que mancaven, el tecneci i el reni, fou difícil. El reni era el situat més avall i, de fet, fou el darrer element estable natural, no radioactiu, que es descobrí. El 1905, el químic japonès Masataka Ogawa (1865-1930) trobà un element desconegut al mineral torianita, òxid de tori, de Sri Lanka, a partir de les línies del seu espectre atòmic. Pensà erròniament que era l'element situat a sota del manganès (l'actual tecneci) i l'anomenà niponi, símbol Np, en honor del Japó. D'altre científic trobà aquest suposat nou element i la recerca d'Ogawa fou oblidada. Tanmateix, una revisió dels espectres fotogràfics originals d'Ogawa el 2004 demostraren que no havia observat l'espectre del tecneci sinó el reni.

El matrimoni de químics alemanys Walter Noddack (1893-1960) i Ida Tacke (1896-1978), que treballaven al Physikalisch-Technischen Reichsanstalt de l'Institut de Fisicoquímica de la Universitat de Berlín, aconseguiren aïllar el reni el maig del 1925. Fou confirmat espectroscòpicament pel químic alemany Otto Berg (1873-1939) de la companyia Siemens i Halske de Berlín. El concentraren a partir del mineral gadolinita on hi era present com una impuresa. El 1928 aconseguiren aïllar-ne un gram a partir de 660 kg de molibdenita. El batejaren reni, a partir del llatí Rhenus, el nom el riu Rin, que travessa Alemanya de sud a nord.

Estat natural i obtenció

Reniïta ${\ce {ReS2}}$.

El reni és un element molt rar, ocupa la posició 77a en l'ordre d'abundància dels elements químics a l'escorça de la Terra. A l'aigua de la mar hi ha una concentració mitjana de 4 ppt i no se'l troba a l'atmosfera. Hom el troba només al reni natiu i a dos minerals a la natura, a la reniïta, sulfur de reni(IV) ${\ce {ReS2}}$ on representa el 74,38 % en massa i a la tarkianita, un altre sulfur de reni i altres elements de fórmula ${\ce {(Cu,Fe)(Re,Mo)4S8}}$, on hi és present en un 54,73%. Fins al 1994 no hi hagué evidència de l'existència de cap mineral de reni i només se'l trobava com a impuresa en altres minerals, especialment els de molibdè. Aquest any un grup de mineralogistes russos estudiaren els minerals de les fumaroles del volcà Kudriavi, a l'illa d'Iturup, a la costa del Pacífic, i hi descobriren la reniïta.

Perrenat d'amoni ${\ce {NH4ReO4}}$.

El reni s'extreu majoritàriament de la molibdenita on es troba en molt baixa proporció, com una impuresa, en unes 20 ppm. La separació del reni es duu a terme per la concentració de l'òxid de reni(VII) ${\ce {Re2O7}}$, que és volàtil, de la pols de combustió i els gasos que es produeixen durant la fosa de molibdenita o de la seva concentració amb els metalls de platí als fangs de l'ànode durant la refinació electrolítica de coure. La pols de metall negre s'extreu dels gasos i de la pols mitjançant la lixiviació o fregament amb aigua per dissoldre l'òxid de reni(VII), que al seu torn es pot convertir en perrenat d'amoni ${\ce {NH4ReO4}}$, i després reduir-se al metall amb hidrogen. La pols es pot comprimir i sinteritzar en barres en hidrogen a temperatures elevades. El treball en fred i el recuit permeten la fabricació de filferro o làmina.

El principal productor de reni el 2019 fou Xile, amb 27 tones; seguit de Polònia amb 9,3 tones i els EUA amb 8,4 tones. La producció total el 2019 fou de 49 tones. Les reserves mundials es calculen en 2 400 tones (1300 a Xile, 400 als EUA, 310 a Rússia, 190 al Kazakhstan i la resta en altres països).

Propietats principals

Propietats físiques

El reni és un metall blanc argentat, brillant, amb una densitat molt alta de 20,8 g/cm³, només superat pel platí, l'iridi i l'osmi, i té un dels punts de fusió més alts de tots els metalls, 3.185 °C, només superat pel wolframi. El seu punt d'ebullició també és elevat, 5.596 °C. Es presenten en un ampli rang d'estats d'oxidació: -1, +1, +2, +3, +4, +5, +6 i +7, i els més comuns en són el +7, +6, +4, +2 i -1.

Se sol comercialitzar en forma de pols, però es pot obtenir en forma compacta, amb una major densitat. Quan s'escalfa i es torna a refredar, resulta ser dúctil, per la qual cosa es pot treballar amb aquest. Els aliatges de reni-molibdè són superconductors a 10 K.

Propietats químiques

La configuració electrònica del reni és [Xe]4f¹⁴5d⁵6s². El reni és menys reactiu a l'aire que el manganès, que es troba a dos llocs per sobre del reni a la taula periòdica. És tan reactiu com el tecneci, que es troba immediatament per sobre del reni a la taula periòdica. Com a tal, reacciona molt lentament en aire humit. A la pràctica, sovint el reni se subministra com a pols o com a esponja, i en aquesta forma és molt més reactiu. Quan s'escalfa amb oxigen el resultat és l'òxid de reni(VII):

$${\ce {4Re(s) + 7O2(g) -> 2Re2O7(s)}}$$ En condicions normals, el reni no reacciona amb l'aigua. Quan s'escalfa amb fluor, el resultat és una barreja de fluorur de reni(VI) i fluorur de reni(VII):

$${\ce {Re(s) + 3F2(g) -> ReF6(s)}}$$$${\ce {2Re(s) + 7F2(g) -> 2ReF7(s)}}$$

Si la reacció amb el fluor es realitza a pressió a 400 °C, l'únic producte és el fluorur de reni(VII) ${\ce {ReF7}}$. Es dissol en aigua de brom tèbia.

Òxid de reni(VI) ${\ce {ReO3}}$.

De forma similar al tecneci, immediatament per sobre del reni a la taula periòdica, el reni és insoluble en àcid clorhídric i àcid fluorhídric. Es dissol en àcid nítric i en àcid sulfúric concentrat, ambdós oxidants, per formar solucions d'àcid perrènic, ${\ce {HReO4}}$. D'aquesta forma, el reni està en estat d'oxidació formal + 7.

Els òxids que es coneixen del reni són: ${\ce {ReO3}}$ ${\ce {Re2O5}}$, ${\ce {ReO2}}$ i ${\ce {Re2O3}}$. L'òxid més comú és l'òxid de reni(VII) ${\ce {Re2O7}}$, és un sòlid groguenc volàtil que és l'anhídrid de l'àcid perrènic ${\ce {HReO4}}$. És la matèria primera de tots els composts de reni, sent la fracció volàtil formada durant el torrat del mineral. En forma cristal·lina és un polímer inorgànic que consisteix a alternar centres de Re octaèdrics i tetraèdrics. En escalfar-se, el polímer s'esquerda per donar ${\ce {Re2O7}}$ molecular (no polimèric). Aquesta espècie molecular és molt semblant a l'oxid de manganès(VII), que consisteix en un parell de tetraedres ${\ce {ReO4}}$ que comparteixen un vèrtex, és a dir, ${\ce {O3Re-O-ReO3}}$. L'òxid de reni(VII) es produeix quan el reni metàl·lic o els seus òxids o sulfurs s'oxiden a 500 °C-700 °C a l'aire. És molt reactiu amb l'aigua i es dissol en aigua per formar àcid perrènic. És un precursor del triòxid de metilreni (MTO), un catalitzador de reaccions d'oxidació. També es fa servir en síntesi orgànica com a catalitzador per a l'etenòlisi, la reducció de carbonil i la reducció d'amides.

L'òxid de reni(VI) ${\ce {ReO3}}$ és un sòlid vermellós amb una brillantor metàl·lica, que s'assembla al coure i que presenta una estructura semblant a la perovskita (ABO₃). És l'únic triòxid estable del grup 7. Es pot preparar reduint l'òxid de reni(VII) amb monòxid de carboni o amb dioxà.

El diborur de reni ${\ce {ReB2}}$ és un compost extremadament dur, tant com el diamant.

Isòtops

Article principal: Isòtops del reni

A la naturalesa hom troba dos isòtops del reni, el reni 185, amb una abundància del 37,40 % i que és estable; el reni 187, el més abundant, 62,6 %, que és inestable i es desintegra per emissió βべーた^–, però amb un període de semidesintegració molt elevat, de 4,5 × 10¹⁰ anys.

Es coneixen uns altres 26 isòtops inestables que van del nombre màssic 159 al 199. Els primers es desintegren per emissió d'un protó per donar uns núclids de tungstè:

$${\ce {^160_75Re -> ^159_74W + ^1_1p}}$$

A partir del reni 162 fins al reni 164 la desintegració majoritària és l'emissió de partícules αあるふぁ, donant un radionúclid de tàntal:

$${\ce {^163_75Re -> ^159_73Ta + ^4_2He}}$$

A continuació i fins al reni 184 els radionúclids de reni es desintegren per captura electrònica donant radionúclids de tungstè:

$${\ce {^183_75Re + ^0_{-1}e-> ^183_74W}}$$

Finalment, els darrers es desintegren en radionúclids d'osmi emetent electrons, això és, desintegració βべーた^–:

$${\ce {^193_75Re -> ^193_76Os + ^0_{-1}e}}$$

Aplicacions

Indústria metal·lúrgica

Turbina d'avió on s'aprecien els àleps.

La principal aplicació del reni (70 %) és la fabricació de superaliatges, amb níquel, cobalt i molibdè, molt resistents a la calor, per a motors de reacció d'avions. Si els àleps de les turbines d'aquests motors no portessin reni, no podrien superar temperatures per sobre dels 1.500 °C; amb reni, poden arribar a 1.610 °C, millorant l'estalvi de combustible entre el 40 % i el 60 %, a més de duplicar la potència, l'empenta i reduir l'emissió de diòxid de carboni fins al 64 %.

Altres usos

Amb aliatges de reni i tungstè es fabriquen termoparells per mesurar temperatures de fins a 2.760 °C. La vida útil dels elements de calefacció d'aliatge de reni és de 5 a 10 vegades més llarga que la dels elements de calefacció de tungstè o molibdè. L'element calefactor de reni té l'avantatge excepcional de treballar a altes temperatures i pressions; també pot produir molles sensibles i indeformables a altes temperatures i necessàries per als instruments de mesura d'alta temperatura. A més, com a colorant fotosensible que absorbeix l'energia solar, el reni té àmplies perspectives d'aplicació a les cèl·lules solars.

S'usa també com a catalitzador en la destil·lació del cru del petroli per produir benzines d'alt octanatge i primeres matèries d'hidrocarburs aromàtics (benzè, toluè, xilè).

Referències

Viccionari