75, Rhenium (Re)

lat. rhenus = Rhein

Das Element Rhenium:

         
  Mo Tc Ru  
  W Re Os  
  Sg Bh Hs  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Rhenium (Nukleosynthese): Rhenium entsteht im Zuge der Nukleosynthese infolge von r-Prozessen nach Supernova-Explosionen bzw. in Roten Riesen infolge s-Prozessen aus Wolfram-Isotopen heraus.

Während das Isotop mit der Massenzahl 185 stabil ist, zerfällt Re-187 mit einer Halbwertszeit von rd. 41 Milliarden Jahren unter β--Zerfall zu Osmium-187 (unter Aussendung einer sehr schwachen Gamma-Strahlung von 2,5 keV). So hat 1 kg Rhenium natürlicher Zusammensetzung (mit 62,6% Re-187) mit rd. 106 Becquerel eine schwache, aber deutlich nachweisbare Radioaktivität. Zum Vergleich: 1 kg Thorium-232 hat eine Aktivität von 4•106 Becquerel/kg, natürlich zusammengesetztes Kalium 31•103 Becquerel/kg. Neben Indium ist Rhenium das zweite Element, welches natürlicherweise einen höheren Anteil radioaktiver Isotope als stabile Isotope in seiner Zusammensetzung aufweist.

Die Nukleosynthese der Rhenium-Isotope:
185Re-Synthese:

(s-Prozess:)
184W + n → 185W + 5,75 MeV
185W → 185Re + β- + 0,43 MeV

(r-Prozess:)
56Fe + 129n → 185Re + 49β- + 1024 MeV

187Re-Synthese:

(s-Prozess:)
185Re + n → 186Re + 6,18 MeV
186Re + n → 187Re + 7,36 MeV

(r-Prozess:)
56Fe + 131n → 185Re + 49β- + 1038 MeV



Das meiste gebildete Rhenium wird durch weitere s- oder r-Prozesse wieder abgebaut: Beide Isotope haben hohe Neutroneneinfangquerschnitte.
Vorkommen von Rhenium: Rhenium ist mit einem Durchschnittsanteil von 0,2 μg/kg Materie im Universum das drittseltenste nichtradioaktive Element (Rang 80). Auf der Erde ist es nur schwach angereichert: Mit 0,7 μg/kg durchschnittlich in der Erdkruste ist es das seltenste nichtradioaktive Metall (Rang 81). Nur die Edelgase Krypton und Xenon haben noch geringere Vorkommen. Gold und Platin hingegen sind noch etwa 5 bis 6 mal häufiger. Bezieht man die Vorkommen in den Weltmeeren mit ein, so findet es sich durchschnittlich zu 1 μg/kg Materie (Rang 80), gleichauf mit dem Edelmetall Rhodium.

Rhenium kommt hauptsächlich in Vergesellschaftung von Molybdän- oder Wolframerzen vor, allerdings stets nur in geringen Spuren. Das wichtigste Mineral in diesem Zusammenhang ist der Molybdänit, aus dem das Element als Nebenprodukt der Molybdängewinnung anfällt. Daneben findet es sich, ebenfalls in geringen Konzentrationen als Begleitelement einiger Seltenerd-Mineralien (Gadolinit, Ytterbit) oder im Niobit/Tantalit.

Nach dem derzeitigen Wissensstand bildet es nur ein einziges eigenständiges Mineral, den Rhenit, ReS2.[1].

Wichtige rheniumhaltige Mineralien

Rhenit, ReS2.[2]

Molybdänit, MoS2.[2]

Columbit, (Mg|Mn|Fe)(Nb|Ta)2O6[2]


Rhenium-Gewinnung: Die Gewinnung des seltenen Metalls geschieht ausschließlich im Zuge der Molybdängewinnung. Hier reichert sich das Rhenium als Rhenium(VII)oxid während des oxidativen Röstens der Molybdänerze in der Flugasche an:

4(Mo|Re)S2 + 21O2 → 4MoO3 + 2Re2S7↑ + 8SO2

Siedepunkte: Re2O7 363°C; MoO3 1.155°C


Aus der Flugasche lässt sich das Rhenium(VII)oxid mit Ammoniaklösung als Ammoniumperrhenat extrahieren und isolieren, da sich alle anderen Metalloxide in der Flugasche nicht durch Ammoniaklösung lösen lassen.

Re2O7 + H2O + 2NH3 → 2NH4ReO4


Das Ammoniumperrhenat wird durch anschließendes Glühen zu Rhenium(VII)oxid überführt, welches dann durch Reduktion mit Wasserstoff zum Rheniummetall umgesetzt wird. Dabei fällt das Metall allerdings in Pulverform an. Durch Umschmelzen im Lichtbogenofen kann daraus kompaktes Rheniummetall gewonnen werden.

2NH4ReO4 → 2NH3↑ + H2O↑ + Re2O7

Re2O7 + 7H2 → 2Re + 7H2O↑


Darstellung von Rhenium

Ammoniumperrhenat, NH4ReO4[4]

Darstellung des Rheniums[5]

Rhenium(VII)oxid, Re2O7[6]


Chemie von Rhenium: Die Chemie des Rheniums ähnelt der seines leichteren Homologen Technetiums. Aufgrund seiner Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f14 5d5 ist die beständigste Oxidationsstufe +7, daneben sind auch Re(IV)- und Re(VI)-Verbindungen gut beschrieben. Rhenium-Kationen sind im Gegensatz zum Technetium, aber gleich den linken Nachbarn Tantal und Wolfram unbekannt. So existiert kein "Rhenyl"-Kation, ReO2+ in wässriger Lösung. Anionisch hat Rhenium dagegen als Rhenat(VI) und Perrhenat(VII) eine wässrige Chemie.

Reaktion an der Luft: Rhenium ist an der Luft bei Zimmertemperatur vollkommen beständig. Erst beim Erhitzen auf Temperaturen oberhalb 400°C oxidiert es sich langsam zu Re2O7.

4Re + 7O2 → 2Re2O7 + 2526 kJ


Reaktionen mit Wasser, Säuren und Laugen: Gegenüber Wasser oder Wasserdampf ist Rhenium inert. Von nichtoxidierenden Säuren (luftfreier Salzsäure, Flusssäure, verdünnte Schwefel- oder Salpetersäure) wird Rhenium nicht angegriffen. Königswasser, konzentrierte Schwefel- oder Salpetersäure lösen das Metall unter Bildung von Rhenium(VII)oxid langsam auf. In wässrigen Alkalien, auch in konzentrierten, ist Rhenium beständig. Es wird dagegen von Alkalischmelzen, vor allem, wenn sie oxidierende Zusätze wie z.B. Natriumnitrat beinhalten, zu grünen Rhenaten(VI) oder farblosen Perrhenaten(VII) aufgelöst.

Reaktionen mit den Halogenen: Mit Fluor reagiert Rhenium beim Erhitzen auf 125°C unter Bildung von Rhenium(VI)fluorid, ReF6. Dieses lässt sich im Gegensatz zum TcF6 mit weiterem Fluor unter leichtem Druck zum ReF7 weiter fluorieren[3]. Mit Chlor wird oberhalb 500°C ReCl6, mit Brom oberhalb 600°C ReBr5 gebildet.[3]

Wässrige Rheniumchemie: Hydratisierte Rhenium-Kationen sind unbekannt. So existiert weder ein Re(H2O)x3+, noch ein ReO2+. Gut bekannt sind dagegen ReO42- und ReO4- in salzartigen Verbindungen mit Alkali- und Erdalkalimetallen. HReO4, Perrheniumsäure ist eine sehr starke Säure, die in Wasser recht gut löslich ist. Sie ist stärker als die Pertechnetiumsäure, aber etwas schwächer als die Permangansäure. Von allen dreien ist sie die am wenigsten oxidierend wirkende. Mit Sulfid-Ionen kann aus einer Perrhenat-Lösung Rhenium(VII)sulfid (Re2S7, schwarz) gefällt werden.

Rheniumorganische Verbindungen sind relativ leicht aus Rhenium(VII)oxid und zinnorganischen Verbindungen zugänglich. So kann durch Umsetzung von Rhenium(VII)oxid mit Tetramethylzinn das Methyltrioxorhenium (ReO3CH3) erhalten werden, welches einen wichtigen Katalysator der organischen Synthese darstellt. Dieses ist bemerkenswert thermisch stabil, und kann unzersetzt destilliert werden.
Physikalische Besonderheiten von Rhenium bzw. von seinen Verbindungen: Superlative Siedepunkte: Rhenium besitzt mit 5596°C den höchsten Siedepunkt aller Elemente, noch vor Wolfram.

Die höchsten Siedepunkte der Elemente:
Rang Element Siedepunkt
1. Rhenium 5596°C
2. Wolfram 5555°C
3. Tantal 5458°C
4. Osmium 5012°C

Rhenium zeigt unterhalb 1,7K Supraleitfähigkeit. Auch einige rheniumhaltige Legierungen zeigen bei tiefsten Temperaturen diese Eigenschaft.
Verwendung von Rhenium und seinen Verbindungen : Rhenium und Rheniumlegierungen[7]:
  • Superlegierungen. Nickellegierungen mit 4 bis 6% Rhenium haben besonders gute Kriecheigenschaften und ein gedämpftes Ermüdungsverhalten bei Hochtemperaturanwendungen.

  • Katalysatoren aus einer Legierung von Platin und Rhenium wird beim so genannten Rheniforming von Benzin verwendet. Dabei wird die Klopffestigkeit des Benzins erhöht.

  • Glühwendel. Dank seiner Temperaturbeständigkeit und seines relativ edelen Charakters können aus Rhenium Glühwendel für Glühbirnen oder als Zündvorrichtung in hochwertigen Feuerzeugen hergestellt werden.
Rheniumverbindungen:
  • Rheniumheptaoxid ist ein Katalysator in der organischen Synthese. So ist er in der Lage, die Reaktion von Alkanen direkt zu der entsprechenden Carbonsäure zu katalysieren.[8]

  • MTO, Methyltrioxorhenium ist ebenfalls ein Katalysator in der Organischen Synthese. Mit seiner Hilfe kann man aus Olefinen direkt zu Epoxiden gelangen.[9]
Biologische Bedeutung von Rhenium: Rhenium ist biologisch nach derzeitigem Wissenstand (2012) bedeutungslos.
Quellen: [1] Holleman-Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie. Die Elemente Technetium und Rhenium. Vorkommen. Seite 1620f.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Holleman Wiberg. Lehrbuch der anorganischen Chemie. Das Technetium und Rhenium. Halogenide. Seite 1625.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Syncro. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[5] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen. Das Bild enthält Grafiken, die von anderen Urhebern stammen: Grafik "Ammoniumperrhenat" stammt aus Quelle [4]; Grafik "Rhenium(VII)oxid" entstammt Quelle [6]. Grafik "Molybänit" entstammt der Quelle [2]. Grafik "Flugasche" entstammt aus Wikimedia Commons, Urheber Mailtosap. Dieser hat für für jedermann ein uneingeschränktes Nutzungsrecht eingeräumt. Die Grafik "Rheniummetall" stellt ein eigenes Bild dar.

[6] Fotomontage. Bildquelle des Originals: Wikimedia Commons. Urheber des Originalbildes: BXXXD. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[7] Wikipedia: Artikel Rhenium; Absatz: Verwendung.

[8] Wikipedia: Artikel Rhenium(VII)oxid, Absatz: Verwendung.

[9] Wikipedia: Artikel MTO, Absatz: Verwendung.