歷史
錸(Rhenium)的名稱源自拉丁文Rhenus,意為
萊茵河。錸是擁有穩定同位素的元素中最後一個發現的(之後在自然界發現的其他元素都是不具有穩定同位素的放射性元素,如
鎿和
鈽等)。
德米特里·門捷列夫在發布
元素周期表時,就預測了這一元素的存在。英國物理學家
亨利·莫塞萊在1914年推算了有關該元素的一些數據。
德國的沃爾特·諾達克(Walter Noddack)、伊達·諾達克、奧托·伯格(Otto Berg)在1925年表示在鉑礦和
鈮鐵礦中探測到了此元素。他們後來也在
矽鈹釔礦和
輝鉬礦內發現了錸。1928年,他們在660公斤輝鉬礦中提取出了1克錸元素。估計在1968年美國75%的錸金屬都用在科研以及
難熔金屬合金的研製當中。幾年之後,高溫合金才得到廣泛使用。
1908年,
日本化學家小川正孝宣布發現了第43號元素,並將其命名為“Nipponium”(Np),以紀念其本國日本(Nippon)。然而,後來的分析則指出,他所發現的是75號元素,而非43(即
鎝)。Np在今天是第93號元素
鎿的化學符號,得名于海王星(Neptune),與“Nipponium”的縮寫正好相同。
性質
錸是一種銀白色金屬,其
熔點在所有元素中是繼
鎢和
碳之後第三高的,
沸點則居首位。其
密度在元素中排第四位,前三位分別為
鉑、
銥和
鋨。錸具六方密排晶體結構,晶格常數為
a=276.1pm和
c=445.6pm。
商業用的錸一般呈粉末狀,可在真空或
氫氣中經壓制或
燒結製成高密度固體,其密度為金屬態的90%以上。錸金屬在
退火時延展性很高,可彎曲和捲起。錸﹣鉬
合金在10
K時是
超導體,鎢﹣錸合金的超導溫度則在4至8 K。錸金屬在1.697 ± 0.006 K時成為超導體。
同位素
錸只有一種穩定同位素錸-185,存量亦極低。自然產生的錸當中有37.4%的
185Re以及62.6%的
放射性187Re。後者的
半衰期長達10
10年。錸原子的電荷狀態可影響這一壽命。Re的
β衰變可用於錸鋨定年法,以測量礦石的年齡。這一β衰變的能量為2.6
keV,是衰變能量最低的
放射性核素之一。錸-186m是壽命最長的同核異構體之一,半衰期長達20萬年左右。其他已知放射性錸同位素還有25種。
化合物
錸在化合物中的
氧化態可以在−3至+7之間,−2除外。+7、+6、+4和+2氧化態最為常見。商業用錸一般以高錸酸鹽出售,如白色水溶的
高錸酸鈉和
高錸酸銨等。
生產
在硫化銅礦石的提煉過程中,錸可以從含有鉬元素的焙燒煙氣中提取出來的。鉬礦石含有0.001%至0.2%的錸元素。從煙氣物質中可用水淋洗出
七氧化二錸和
高錸酸,再用
氯化鉀或
氯化銨使其沉澱為高錸酸鹽,最後以
重結晶方法進行純化。錸的全球年產量在40至50噸之間,主要產國有
智利、
美國、
秘魯和
波蘭。另外,鉑﹣錸催化劑和某些錸合金的回收過程每年可產出10噸錸。每公斤錸價格從2003至2006年的1千至2千美元迅速升至2008年2月的1萬美元以上。要製成錸金屬,需在高溫下用
氫氣還原
高錸酸銨:
2 NH4ReO4+ 7 H2→ 2 Re + 8 H2O + 2 NH3.
套用
合金
加入錸會提升鎳
高溫合金的
蠕變強度。錸合金一般含有3%至6%的錸。第二代合金的含錸量為3%,曾用在
F-16和
F-15戰機引擎中。第三代單晶體合金的含錸量則有6%,曾用在
F-22和
F-35引擎中。錸高溫合金還用於工業
燃氣輪機。高溫合金在加入錸後會形成拓撲密排相(TCP),因此其微結構會變得不穩定。第四代和第五代高溫合金使用
釕以避免這一現象。
2006年的錸消耗量分別為:
通用電氣28%,勞斯萊斯股份有限公司28%,普惠公司12%,皆用於生產高溫合金。另有14%用作催化劑,18%作其他用途。由於軍用噴射引擎需求持續增加,因此有必要研發含錸量更低的高溫合金,以維持供應。比如,新型
CFM56高壓渦輪(HPT)葉片使用的合金含1.5%的錸,以取代含錸量為3%的合金。
錸可增強
鎢的物理性質。鎢﹣錸合金在低溫下可塑性更高,易於製造、塑形,且在高溫下的穩定性也得以提高。這一變化會隨錸的含量而增加,所以鎢﹣錸合金含有27%的錸,這也就是錸在鎢中的溶解極限。
X射線源是鎢﹣錸合金的其中一個套用。鎢和錸的熔點和原子量都很高,有助於抵抗持續的電子撞擊。這種合金還用作
熱電偶,可測量最高2200 °C的溫度。
錸在高溫下十分穩定,蒸氣壓低,耐磨損,且能夠抵禦電弧腐蝕,所以是很好的自動清洗電觸頭材料。開關時的電火花會對觸頭進行氧化耗損。不過,七氧化二錸(Re2O7)在360 °C左右升華,所以會在放電過程中移去。
錸與
鉭和鎢一樣具有高熔點和低蒸氣壓,所以用這些材料製成的燈絲在氧氣環境下穩定性較高。這類燈絲被廣泛用於
質譜儀、電離壓力計及照相閃光燈等。
催化劑
錸﹣鉑合金是
催化重整過程中的一種催化劑。這種石油加工過程能夠提高
石腦油的
辛烷值。用於催化重整的催化劑當中,30%含有錸。在
礬土(氧化鋁)表面塗上錸,可作為
烯烴複分解反應的催化劑。含錸催化劑可抗禦氮、硫和磷的催化劑中毒現象,因此被用在某些氫化反應中。
安全
由於用量一般很少,所以人們對錸以及錸化合物的毒性所知甚少。鹵化錸和高錸酸鹽等可溶鹽的有害性可能來自錸或者其他所含元素。科學家只對極少數錸化合物作過毒性測試,包括高錸酸鉀和三氯化錸。試驗以老鼠作為對象,測得高錸酸鉀的7天
LD50值為2800mg/kg,三氯化錸的LD
50值為280mg/kg。