El renio es un elemento químico con el símbolo Re y número atómico 75. Es un metal de transición pesado, gris plateado, de tercera fila en el grupo 7 de la tabla periódica . Con una concentración promedio estimada de 1 parte por mil millones (ppb), el renio es uno de los elementos más raros de la corteza terrestre . El renio tiene el tercer punto de fusión más alto y el segundo punto de ebullición más alto de cualquier elemento estable a 5903 K. [4] El renio se parece al manganeso y al tecnecio químicamente y se obtiene principalmente como unsubproducto de la extracción y refinamiento de minerales de molibdeno y cobre . El renio muestra en sus compuestos una amplia variedad de estados de oxidación que van de -1 a +7.
Renio | ||||||||||||||||
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Pronunciación | / R i n i ə m / | |||||||||||||||
Apariencia | plateado-grisáceo | |||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, std (Re) | 186.207 (1) [1] | |||||||||||||||
Renio en la tabla periódica | ||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 75 | |||||||||||||||
Grupo | grupo 7 | |||||||||||||||
Período | período 6 | |||||||||||||||
Cuadra | bloque d | |||||||||||||||
Configuración electronica | [ Xe ] 4f 14 5d 5 6s 2 | |||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 32, 13, 2 | |||||||||||||||
Propiedades físicas | ||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | |||||||||||||||
Punto de fusion | 3459 K (3186 ° C, 5767 ° F) | |||||||||||||||
Punto de ebullición | 5903 K (5630 ° C, 10.170 ° F) | |||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 21,02 g / cm 3 | |||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 18,9 g / cm 3 | |||||||||||||||
Calor de fusión | 60,43 kJ / mol | |||||||||||||||
Calor de vaporización | 704 kJ / mol | |||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 25,48 J / (mol · K) | |||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | ||||||||||||||||
Estados de oxidación | −3, −1, 0, +1, +2, +3, +4 , +5, +6, +7 (un óxido ligeramente ácido ) | |||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,9 | |||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 137 pm | |||||||||||||||
Radio covalente | 151 ± 7 pm | |||||||||||||||
Líneas espectrales de renio | ||||||||||||||||
Otras propiedades | ||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | |||||||||||||||
Estructura cristalina | hexagonal compacto (hcp) | |||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 4700 m / s (a 20 ° C) | |||||||||||||||
Expansión térmica | 6,2 µm / (m⋅K) | |||||||||||||||
Conductividad térmica | 48,0 W / (m⋅K) | |||||||||||||||
Resistividad electrica | 193 nΩ⋅m (a 20 ° C) | |||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético [2] | |||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | +67,6 × 10 −6 cm 3 / mol (293 K) [3] | |||||||||||||||
El módulo de Young | 463 GPa | |||||||||||||||
Módulo de corte | 178 GPa | |||||||||||||||
Módulo de volumen | 370 GPa | |||||||||||||||
Relación de Poisson | 0,30 | |||||||||||||||
Dureza de Mohs | 7.0 | |||||||||||||||
Dureza Vickers | 1350–7850 MPa | |||||||||||||||
Dureza Brinell | 1320-2500 MPa | |||||||||||||||
Número CAS | 7440-15-5 | |||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||
Nombrar | después del río Rin (alemán: Rhein ) | |||||||||||||||
Descubrimiento | Walter Noddack , Ida Noddack , Otto Berg (1925) | |||||||||||||||
Primer aislamiento | Walter Noddack, Ida Noddack (1928) | |||||||||||||||
Isótopos principales del renio | ||||||||||||||||
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Descubierto en 1925, el renio fue el último elemento estable que se descubrió. Lleva el nombre del río Rin en Europa.
Las superaleaciones de renio a base de níquel se utilizan en las cámaras de combustión, las palas de las turbinas y las boquillas de escape de los motores a reacción . Estas aleaciones contienen hasta un 6% de renio, lo que hace que la construcción de motores a reacción sea el uso individual más grande del elemento. El segundo uso más importante es como catalizador : el renio es un excelente catalizador para la hidrogenación y la isomerización, y se utiliza, por ejemplo, en el reformado catalítico de nafta para su uso en gasolina (proceso de reniformado). Debido a la baja disponibilidad en relación con la demanda, el renio es caro, con un precio que alcanzó un máximo histórico en 2008/2009 de 10.600 dólares EE.UU. por kilogramo (4.800 dólares EE.UU. por libra). Debido a los aumentos en el reciclaje de renio y a la caída de la demanda de renio en los catalizadores, el precio del renio se redujo a 2.844 dólares EE.UU. por kilogramo (1.290 dólares EE.UU. por libra) en julio de 2018. [5]
Historia
El renio (en latín : Rhenus que significa: " Rin ") [6] fue el último de los elementos descubiertos que tienen un isótopo estable (otros elementos nuevos descubiertos en la naturaleza desde entonces, como el francio , son radiactivos). [7] La existencia de un elemento aún no descubierto en esta posición en la tabla periódica había sido predicha por primera vez por Dmitri Mendeleev . Henry Moseley obtuvo otra información calculada en 1914. [8] En 1908, el químico japonés Masataka Ogawa anunció que había descubierto el elemento 43 y lo llamó nipponium (Np) en honor a Japón ( Nippon en japonés). Sin embargo, un análisis reciente indicó la presencia de renio (elemento 75), no del elemento 43 , [9] aunque esta reinterpretación ha sido cuestionada por Eric Scerri . [10] El símbolo Np se usó más tarde para el elemento neptunio , y el nombre "nihonium", también llamado así por Japón , junto con el símbolo Nh, se usó más tarde para el elemento 113 . El elemento 113 también fue descubierto por un equipo de científicos japoneses y recibió su nombre en homenaje respetuoso al trabajo de Ogawa. [11]
Generalmente se considera que el renio fue descubierto por Walter Noddack , Ida Noddack y Otto Berg en Alemania . En 1925 informaron que habían detectado el elemento en el mineral de platino y en el mineral columbita . También encontraron renio en gadolinita y molibdenita . [12] En 1928 pudieron extraer 1 g del elemento procesando 660 kg de molibdenita. [13] Se estimó en 1968 que el 75% del renio metálico en los Estados Unidos se utilizaba para la investigación y el desarrollo de aleaciones de metales refractarios . Pasaron varios años desde ese momento antes de que las superaleaciones se usaran ampliamente. [14] [15]
Caracteristicas
El renio es un metal blanco plateado con uno de los puntos de fusión más altos de todos los elementos, superado solo por el tungsteno y el carbono . También tiene uno de los puntos de ebullición más altos de todos los elementos y el más alto entre los elementos estables. También es uno de los más densos, solo superado por el platino , el iridio y el osmio . El renio tiene una estructura cristalina hexagonal compacta, con parámetros de red a = 276,1 pm yc = 445,6 pm. [dieciséis]
Su forma comercial habitual es un polvo, pero este elemento puede consolidarse presionando y sinterizando en una atmósfera de vacío o de hidrógeno . Este procedimiento produce un sólido compacto que tiene una densidad superior al 90% de la densidad del metal. Cuando está recocido, este metal es muy dúctil y se puede doblar, enrollar o enrollar. [17] Las aleaciones de renio-molibdeno son superconductoras a 10 K ; Las aleaciones de tungsteno-renio también son superconductoras [18] alrededor de 4-8 K, dependiendo de la aleación. Superconductos de metal renio en1.697 ± 0.006 K . [19] [20]
A granel y a temperatura ambiente y presión atmosférica, el elemento resiste álcalis, ácido sulfúrico , ácido clorhídrico , ácido nítrico diluido (pero no concentrado) y agua regia .
Isótopos
El renio tiene un isótopo estable , el renio-185, que sin embargo se presenta en abundancia minoritaria, situación que se encuentra solo en otros dos elementos ( indio y telurio ). El renio natural tiene solo 37,4% de 185 Re y 62,6% de 187 Re, que es inestable pero tiene una vida media muy larga (~ 10 10 años). Esta vida útil puede verse muy afectada por el estado de carga del átomo de renio. [21] [22] La desintegración beta de 187 Re se utiliza para la datación de minerales con renio-osmio . La energía disponible para esta desintegración beta (2,6 keV ) es una de las más bajas conocidas entre todos los radionucleidos . El isótopo renio-186m es notable por ser uno de los isótopos metaestables de vida más larga con una vida media de alrededor de 200.000 años. Hay otros 33 isótopos inestables reconocidos, que van desde 160 Re a 194 Re, el más longevo de los cuales es 183 Re con una vida media de 70 días. [23]
Compuestos
Los compuestos de renio son conocidos por todos los estados de oxidación entre −3 y +7 excepto −2. Los estados de oxidación +7, +6, +4 y +2 son los más comunes. [24] El renio está más disponible comercialmente como sales de perrenato , incluidos los perrenatos de sodio y amonio . Estos son compuestos blancos solubles en agua. [25] Anión tetratioperrenato [ReS 4 ] - es posible. [26]
Haluros y oxihaluros
Los cloruros de renio más comunes son ReCl 6 , ReCl 5 , ReCl 4 y ReCl 3 . [27] Las estructuras de estos compuestos a menudo presentan un extenso enlace Re-Re, que es característico de este metal en estados de oxidación inferiores a VII. Las sales de [Re 2 Cl 8 ] 2− presentan una unión cuádruple metal-metal. Aunque el cloruro de renio más alto presenta Re (VI), el flúor da el heptafluoruro de renio derivado de d 0 Re (VII) . También son bien conocidos los bromuros y yoduros de renio.
Al igual que el tungsteno y el molibdeno, con los que comparte similitudes químicas, el renio forma una variedad de oxihaluros . Los oxicloruros son los más comunes e incluyen ReOCl 4 , ReOCl 3 .
Óxidos y sulfuros
El óxido más común es el amarillo volátil Re 2 O 7 . El trióxido de renio rojo ReO 3 adopta una estructura similar a la de la perovskita . Otros óxidos incluyen Re 2 O 5 , ReO 2 y Re 2 O 3 . [27] Los sulfuros son ReS 2 y Re 2 S 7 . Las sales de perrenato se pueden convertir en tetratioperrenato mediante la acción del hidrosulfuro de amonio . [28]
Otros compuestos
El diboruro de renio (ReB 2 ) es un compuesto duro que tiene una dureza similar a la del carburo de tungsteno , carburo de silicio , diboruro de titanio o diboruro de circonio . [29]
Compuestos de organorhenio
El decacarbonilo de dirhenio es la entrada más común a la química del organorhenio. Su reducción con amalgama de sodio da Na [Re (CO) 5 ] con renio en el estado formal de oxidación -1. [30] Dirhenium decacarbonyl puede oxidarse con bromo a bromopentacarbonylrhenium (I) : [31]
- Re 2 (CO) 10 + Br 2 → 2 Re (CO) 5 Br
La reducción de este pentacarbonilo con zinc y ácido acético da pentacarbonilhidrorenio : [32]
- Re (CO) 5 Br + Zn + HOAc → Re (CO) 5 H + ZnBr (OAc)
El trióxido de metilrhenio ("MTO"), CH 3 ReO 3 es un sólido volátil e incoloro que se ha utilizado como catalizador en algunos experimentos de laboratorio. Puede prepararse por muchas vías, un método típico es la reacción de Re 2 O 7 y tetrametilestaño :
- Re 2 O 7 + (CH 3 ) 4 Sn → CH 3 ReO 3 + (CH 3 ) 3 SnOReO 3
Se conocen derivados de alquilo y arilo análogos. MTO cataliza las oxidaciones con peróxido de hidrógeno . Los alquinos terminales producen el ácido o éster correspondiente, los alquinos internos producen dicetonas y los alquenos dan epóxidos. MTO también cataliza la conversión de aldehídos y diazoalcanos en un alqueno. [33]
Nonahidrrenato
Un derivado distintivo del renio es el nonahidridorhenato , que originalmente se pensó que era el anión renuro , Re - , pero que en realidad contiene el ReH2−
9 anión en el que el estado de oxidación del renio es +7.
Ocurrencia
El renio es uno de los elementos más raros de la corteza terrestre con una concentración promedio de 1 ppb; [27] otras fuentes citan el número de 0,5 ppb, lo que lo convierte en el elemento 77 más abundante en la corteza terrestre. [34] Es probable que el renio no se encuentre libre en la naturaleza (su posible ocurrencia natural es incierta), pero ocurre en cantidades de hasta 0.2% [27] en el mineral molibdenita (que es principalmente disulfuro de molibdeno ), la principal fuente comercial, aunque única Se han encontrado muestras de molibdenita con hasta un 1,88%. [35] Chile tiene las mayores reservas de renio del mundo, parte de los depósitos de mineral de cobre, y fue el principal productor en 2005. [36] Sólo recientemente se encontró y describió el primer mineral de renio (en 1994), un renio Mineral de sulfuro (ReS 2 ) que se condensa en una fumarola en el volcán Kudriavy , isla Iturup , en las islas Kuriles . [37] Kudriavy descarga hasta 20-60 kg de renio por año, principalmente en forma de disulfuro de renio. [38] [39] Denominada reniita , este raro mineral tiene precios altos entre los coleccionistas. [40]
Producción
El renio comercial se extrae del gas de combustión del tostador de molibdeno obtenido de minerales de sulfuro de cobre. Algunos minerales de molibdeno contienen de 0,001% a 0,2% de renio. [27] [35] El óxido de renio (VII) y el ácido perrénico se disuelven fácilmente en agua; se lixivian de los polvos y gases de los humos y se extraen precipitando con cloruro de potasio o amonio como sales de perrenato y se purifican por recristalización . [27] La producción mundial total se sitúa entre 40 y 50 toneladas / año; los principales productores se encuentran en Chile, Estados Unidos, Perú y Polonia. [41] El reciclaje de catalizador de Pt-Re usado y aleaciones especiales permite la recuperación de otras 10 toneladas por año. Los precios del metal aumentaron rápidamente a principios de 2008, de $ 1000 a $ 2000 por kg en 2003-2006 a más de $ 10,000 en febrero de 2008. [42] [43] La forma del metal se prepara reduciendo el perrenato de amonio con hidrógeno a altas temperaturas: [25 ]
- 2 NH 4 ReO 4 + 7 H 2 → 2 Re + 8 H 2 O + 2 NH 3
Aplicaciones
El renio se agrega a las superaleaciones de alta temperatura que se utilizan para fabricar piezas de motores a reacción , utilizando el 70% de la producción mundial de renio. [44] Otra aplicación importante es en platino-renio catalizadores , que se utilizan principalmente en la fabricación de plomo exento, de alto octanaje de la gasolina . [45]
Aleaciones
Las superaleaciones a base de níquel tienen una resistencia a la fluencia mejorada con la adición de renio. Las aleaciones contienen normalmente 3% o 6% de renio. [46] Las aleaciones de segunda generación contienen un 3%; estas aleaciones se utilizaron en los motores de los F-15 y F-16 , mientras que las aleaciones de tercera generación monocristalinas más nuevas contienen un 6% de renio; se utilizan en los motores F-22 y F-35 . [45] [47] El renio también se utiliza en las superaleaciones, como CMSX-4 (2ª generación) y CMSX-10 (3ª generación) que se utilizan en motores de turbina de gas industriales como el GE 7FA. El renio puede hacer que las superaleaciones se vuelvan microestructuralmente inestables, formando fases indeseables empaquetadas topológicamente (TCP) . En 4ta y quinta generación superaleaciones , rutenio se usa para evitar este efecto. Entre otras, las nuevas superaleaciones son EPM-102 (con 3% de Ru) y TMS-162 (con 6% de Ru), [48] así como TMS-138 [49] y TMS-174. [50] [51]
Para 2006, el consumo se da como 28% para General Electric , 28% Rolls-Royce plc y 12% Pratt & Whitney , todos para superaleaciones, mientras que el uso de catalizadores solo representa el 14% y las aplicaciones restantes usan el 18%. [44] En 2006, el 77% del consumo de renio en los Estados Unidos correspondía a aleaciones. [45] La creciente demanda de motores a reacción militares y el suministro constante hicieron necesario el desarrollo de superaleaciones con menor contenido de renio. Por ejemplo, las palas de turbina de alta presión (HPT) CFM International CFM56 más nuevas utilizarán Rene N515 con un contenido de renio del 1,5% en lugar de Rene N5 con un 3%. [52] [53]
El renio mejora las propiedades del tungsteno . Las aleaciones de tungsteno-renio son más dúctiles a baja temperatura, lo que permite mecanizarlas más fácilmente. También se mejora la estabilidad a alta temperatura. El efecto aumenta con la concentración de renio, por lo que se producen aleaciones de tungsteno con hasta un 27% de Re, que es el límite de solubilidad. [54] El alambre de tungsteno-renio se creó originalmente en un esfuerzo por desarrollar un alambre que fuera más dúctil después de la recristalización. Esto permite que el cable cumpla con objetivos de rendimiento específicos, incluida una resistencia superior a las vibraciones, una ductilidad mejorada y una resistividad más alta. [55] Una aplicación para las aleaciones de tungsteno-renio son las fuentes de rayos X. El alto punto de fusión de ambos elementos, junto con su elevada masa atómica, los hace estables frente al impacto prolongado de los electrones. [56] aleaciones de tungsteno renio también se aplican como termopares para medir temperaturas de hasta 2200 ° C . [57]
La estabilidad a altas temperaturas, la baja presión de vapor, la buena resistencia al desgaste y la capacidad de resistir la corrosión por arco del renio son útiles en los contactos eléctricos autolimpiables . En particular, la descarga que se produce durante la conmutación eléctrica oxida los contactos. Sin embargo, el óxido de renio Re 2 O 7 tiene poca estabilidad (se sublima a ~ 360 ° C) y, por lo tanto, se elimina durante la descarga. [44]
El renio tiene un alto punto de fusión y una baja presión de vapor similar al tantalio y al tungsteno. Por lo tanto, los filamentos de renio exhiben una mayor estabilidad si el filamento no se opera en vacío, sino en una atmósfera que contiene oxígeno. [58] Estos filamentos se utilizan ampliamente en espectrómetros de masas , medidores de iones [59] y lámparas de flash fotográfico . [60]
Catalizadores
El renio en forma de aleación de renio y platino se utiliza como catalizador para el reformado catalítico , que es un proceso químico para convertir naftas de refinería de petróleo con índices de octanaje bajo en productos líquidos de alto octanaje. En todo el mundo, el 30% de los catalizadores utilizados para este proceso contienen renio. [61] La metátesis de olefinas es la otra reacción para la que se utiliza renio como catalizador. Normalmente se utiliza Re 2 O 7 sobre alúmina para este proceso. [62] Los catalizadores de renio son muy resistentes al envenenamiento químico por nitrógeno, azufre y fósforo, por lo que se utilizan en ciertos tipos de reacciones de hidrogenación. [17] [63] [64]
Otros usos
Los isótopos 188 Re y 186 Re son radiactivos y se utilizan para el tratamiento del cáncer de hígado . Ambos tienen una profundidad de penetración similar en el tejido (5 mm para 186 Re y 11 mm para 188 Re), pero 186 Re tiene la ventaja de una vida útil más larga (90 horas frente a 17 horas). [65] [66]
188 Re también se está utilizando experimentalmente en un tratamiento novedoso del cáncer de páncreas en el que se administra mediante la bacteria Listeria monocytogenes . [67] El isótopo 188 Re también se usa para el renio-SCT ( terapia del cáncer de piel ). El tratamiento utiliza las propiedades del isótopo como emisor beta para la braquiterapia en el tratamiento del carcinoma de células basales y el carcinoma de células escamosas de la piel. [68]
Relacionado por tendencias periódicas , el renio tiene una química similar a la del tecnecio ; el trabajo realizado para etiquetar el renio en los compuestos objetivo a menudo se puede traducir en tecnecio. Esto es útil para radiofarmacia, donde es difícil trabajar con tecnecio, especialmente el isótopo 99m usado en medicina, debido a su costo y corta vida media. [65] [69]
Precauciones
Se sabe muy poco sobre la toxicidad del renio y sus compuestos porque se utilizan en cantidades muy pequeñas. Las sales solubles, como los haluros de renio o los perrenatos, pueden ser peligrosas debido a elementos distintos del renio o debido al renio mismo. [70] Sólo se han ensayado unos pocos compuestos de renio para determinar su toxicidad aguda; dos ejemplos son el perrenato de potasio y el tricloruro de renio, que se inyectaron como solución en ratas. El perrenato tenía un valor de LD 50 de 2800 mg / kg después de siete días (esto es una toxicidad muy baja, similar a la de la sal de mesa) y el tricloruro de renio mostró una LD 50 de 280 mg / kg. [71]
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enlaces externos
- Renio en la tabla periódica de videos (Universidad de Nottingham)