K čemu se hodí – rhenium?

Prvek, který se kdysi zrodil při obrovském výbuchu supernovy dnes pomáhá vyrábět benzín a zapalovat cigarety. Zároveň je na naší planetě jedním z nejvzácnějších. Podívejme se do rodinného alba chemického prvku – rhenia.

Předpověděl ho sám slavný Mendělejev. Postuloval existenci prvku, kterému říkal dwi-mangan, protože měl mít vlastnosti podobné manganu. Na svůj objev muselo ale rhenium čekat jestě celé půlstoletí.

Zasloužil se o něj manželský pár Eva Noddack-Tacke a Walter Karl Friedrich Noddack v roce 1925. Prvek našli pomocí rentgenové spektroskopie v obohacených  minerálech columbit a tantalit. Název odvodili z názvu Porýní, odkud oba pocházeli. Rýn se latinsky řekne „rhenus“, nový prvek tedy nazvali rhenium. V roce 1926 se podařilo oddělit první dva miligramy čistého rhenia. V roce 1928 z 660 kg molybdenové rudy izolovali dokonce jeden gram vzácného rhenia.

Kolik je vlastně v přírodě rhenia?

Rhenium patří k nejvzácnějším kovům. Na Zemi se nevyskytuje v čistém stavu, v jakém někdy nacházíme například zlato. Doprovází molybdenové a platinové rudy, vždy se ale jedná jen o minimální příměsi. Nejdůležitějším minerálem, ze kterého se rhenium získává, je molybdenit.

Ve vesmíru je jeho průměrné zastoupení 0,0002 ppm (parts per million, miliontina vztažená na hmotnost vzorku) a je tedy třetím nejvzácnějším neradioaktivním prvkem. Ve Slunci lze nalézt 0,000002 ppm rhenia. Zemská kůra ho obsahuje 0,0004 ppm. Rhenium je nejvzácnějším neradioaktivním kovem na planetě. Dokonce i zlato a platina se v zemské kůře vyskytují až 6x hojněji než tento zajímavý tvrdý kov.

Mořská voda obsahuje ještě daleko méně rhenia než naše pevniny – v průměru se jedná o 0,000001 ppm.

Vlastnosti rhenia

V čistém stavu je rhenium velice tvrdý a stříbřitě lesklý kov. Vyniká vysokým bodem tání, který je vyšší už jen u wolframu.

Pro zajímavost – tři vítězové na pomyslném žebříčku odolnosti proti vysoké teplotě jsou (bod tání): 1. wolfram 3422°C, 2. rhenium 3182°C a 3. tantal 3020°C. 

Co se týká bodu varu, tady rhenium dokocne vítězí se svými 5596 °C před wolframem (5555 °C) a tantalem (5458 °C). 

Koroduje špatně a na vzduchu dokonce jen pomalu. Pro získání jeho oxidu (tedy produktu koroze) je například nutné rhenium rozmělnit na prášek a zahřívat.

Známe jen jeden jediný minerál, tvořený sloučeninou rhenia. Jmenuje se rhenit. Patří do skupiny sulfidů – jeho chemický vzorek je ReS2.

Rhenium vzniká díky obrovským explozím

Stejně jako ostatní prvky, které jsou těžší než železo, je i rhenium výsledkem obrovské vesmírné katastrofy – výbuchu supernovy.

Obří hvězda, která má dostatečně vysokou hmotnost, spaluje ve svém nitru nejprve vodík na helium, helium pak na další těžší prvky. Všechny spalovací procesy končí v momentě, kdy se v centru hvězdy, v její nejteplejší zóně, vytvoří jádro ze železa. Při syntéze prvků těžších, než je železo, se totiž energie neuvolňuje, naopak se spotřebovává.

Tlak záření, které vycházelo z centra hvězdy a které pocházelo z reakcí syntézy lehčích prvků na těžší, v tom okamžiku ustane. To vyvolá katastrofické následky. Gravitace obrovské hmoty hvězdy totiž zůstane zachována. Vnější část hvězdy je pak gravitací obrovskou rychlostí smetena směrem k železnému jádru. Při dopadu hmoty na vnitřní jádro ze železa se uvolní takové množství energie, které dovolí exotické reakce jako vznik volných neutronů. Záchytem těchto neutronů se mohou tvořit i prvky, které jsou daleko těžší než železo – napříkald rhenium.

Fyzikální procesy, které se na vzniku rhenia podílejí...

... se odborně nazývají s- (slow, pomalé) a r-procesy (rapid - rychlé). Syntéza rhenia 185 probíhá záchytem neutronu jádrem wolframu (s-proces) 184W + n › 185W + 5,75 MeV a beta rozpadem wolframu, při kterém se jeden neutron mění na proton a volný elektron. 185W › 185Re + ß­ + 0,43 MeV. Přímou cestou vzniká rhenium záchytem většího množství neutronů (r­-proces) 56Fe + 129n › 185Re + 49ß­ + 1024 MeV. Těžší izotop rhenia, tedy Re-187 vzniká záchytem neutronu svým lehčím kolegou, Re-185  (s-­proces)  185Re + n › 186Re + 6,18 MeV a 186Re + n › 187Re + 7,36 MeV. Může také vzniknout přímo, záchytem neutronů jádrem železa (r-­proces) 56Fe + 131n › 187Re + 49ß­ + 1038 MeV.

Většina rhenia, které vzniká při explozi supernov se ovšem dalšími s- nebo r-procesy změní na těžší prvky, má totiž schopnost zachycovat další neutrony.

Izotopy rhenia – více radioaktivního než stabilního prvku

Přírodní rhenium má jen dva výše zmiňované izotopy. Lehčí Re-185 je stabilnější. Re-187 je radioaktivní. Poločas rozpadu je ovšem velice dlouhý, kolem 41 miliard let. Při beta rozpadu na osmium-187 vyzařuje tento izotop slabé gama záření.

V praxi to znamená, že 1 kg rhenia s přírodním zastoupením izotopů (62,6% Re­187) vyzařuje 1 000 000 becquerelů (radioaktivních rozpadů za vteřinu).

Podíl radioaktivního izotopu v přírodním rheniu je vyšší, než podíl stabilního izotopu (62,6 % oproti 37,4 %). To je v přírodě nezvyklá situace. Podobnou sestavu sdílí s rheniem jen prvek osmium.

Doteď jsme se zabývali přírodní izotopy – jak je to s těmi umělými? Umělou cestou se v jaderných reaktorech podařilo vytvořit 27 radionuklidů. Jak už název napovídá, jsou samozřejmě všechny radioaktivní a rozpadají se s poločasem rozpadu mezi 10 milisekundami (Re-161) a 200 000 lety (Re-186).

K čemu je dobré rhenium?

Rhenium je velice vzácný kov. Jeho roční vytěžený objem kolísá mezi jednou a padesáti tunami. Už z tohoto důvodu není jeho průmyslové využití moc intenzivní.

Tepelně namáhané součástky

Díky svému extrémně vysokému bodu tání (nejvyšší ze všech kovů) se využívá k výrobě žhavených žárovkových vláken a jiných tepelně namáhaných součástek.  Je známa niklová slitina, která obsahuje 4 – 6 procent rhenia a která je odolná proti únavě materiálu a vysokým teplotám.

Pokud máte doma opravdu cenný zapalovač se žhavicím drátem, je tento drát nejspíše zhotoven ze slitiny rhenia.

Katalyzátory

Najdete ho kromě toho v katalyzátorech. Slitiny platiny a rhenia se používají při výrobě benzínu do našich aut.

Oxid, který jsem zmínila výše v textu, se používá jako katalyzátor v organické chemii.

Supravodiče

Při teplotách nižších než 1,7 stupně K je rhenium supravodivé a tuto vlastnost propůjčuje také některých svým slitinám.

Toxikologie a škodlivost pro náš organismus

Rhenium je velice vzácný prvek, který se ve volné přírodě kolem nás prakticky nevyskytuje. Jistě vás proto nepřekvapí, že nemá pro naše těla prakticky žádný biologický význam. Díky tomu, že se kolem nás vyskytuje jen v nepatrných stopách, nejsou známé ani žádné škody, které by způsoboval v organismu.

Stejně jako u vzácných zemin platí i pro rhenium: pokud vám bude nějaký léčitel nebo esoterik namlouvat, že máte nedostatek rhenia a trpíte díky němu jakoukoliv chorobou, můžete ho klidně poslat tam, kam patří – do říše bajek a pohádek.

Zajímavé je naopak rhenium – coby finanční investice. Za kilogram rhenia zaplatíte na burze kolem 3000 €.