Ρήνιο: ο «χρυσός του Ρήνου»

Μικρό βιογραφικό για το στοιχείο ρήνιο. Κάθε Κυριακή «Το Βήμα» μάς ταξιδεύει και σε μιαν άλλη γωνιά του περιοδικού πίνακα.

Βίος και πολιτεία

Χάρη στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων έχουμε την ευκαιρία να ταξιδεύουμε σε διάφορες τοποθεσίες του πλανήτη. Στη Σουηδία, στις Ηνωμένες Πολιτείες, στο Περού, στη Βολιβία, στην Κίνα και τώρα είναι η στιγμή να αναζητήσουμε ένα από τα πιο σπάνια μέταλλα σε ένα από τα πιο απομονωμένα και δυσπρόσιτα νησιά της Γης. Θα πρέπει να βάζεις πραγματικά δύσκολα στον ταξιδιωτικό σου πράκτορα αν του ζητήσεις να σου βρει τον τρόπο για να επισκεφθείς το νησί Ιτουρούπ. Πού είναι αυτό; Πρόκειται για μία από τις Κουρίλες νήσους, στο πέλαγος βόρεια της Ιαπωνίας, έξω από το Χοκάιντο. Αλλά το μάτι δεν πρέπει να ξεγελιέται επάνω στον χάρτη, διότι παρ’ όλη τη μικρή απόσταση από την Ιαπωνία τα νησιά αυτά ανήκουν σήμερα στη Ρωσία ενώ πριν από τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο τα είχαν οι Ιάπωνες και υπάρχει διαμάχη ως σήμερα μεταξύ των δύο κρατών για αυτά. Επάνω λοιπόν στο μακρόστενο και μεγάλης φυσικής ομορφιάς νησί Ιτουρούπ, με 7.500 κατοίκους, μήκος 200 χιλιόμετρα και πλάτος από 7 ως και 20 χιλιόμετρα σε διάφορα σημεία του, βρίσκεται το ηφαίστειο Κουντριάβι. Σε αυτό το ηφαίστειο διαπιστώθηκε ότι, κάθε χρόνο, με τα αέρια που αναδίδονται από τα έγκατά του (ατμίδες είναι μια πιο ακριβής ονομασία) φθάνουν στην επιφάνεια ενώσεις του στοιχείου ρήνιο με θείο (σουλφίδια του ρηνίου). Συνολικά και με κατάλληλη επεξεργασία μπορούν να δώσουν από 20 ως και 60 κιλά από το δυσεύρετο αυτό στοιχείο. Και έτσι, εκτός από τους λιγοστούς τουρίστες που καταφέρνουν να επισκεφθούν το με αγριότατα αλλά πανέμορφα τοπία νησί, προσελκύει τα βλέμματα και κάποιων κυνηγών αυτού του μετάλλου. Το οποίο χρησιμοποιείται σε μικρές ποσότητες αλλά αποδεικνύεται με τον καιρό εξαιρετικά χρήσιμο.

Ο Ντμίτρι Μεντελέγεφ, όταν το 1869 είχε προχωρήσει αρκετά στη συγκρότηση του πίνακα των στοιχείων, είχε διαπιστώσει και την ύπαρξη κενών. Εκεί θα πήγαιναν να πιάσουν θέση στοιχεία που ως τότε δεν είχαν ανακαλυφθεί. Προέβλεψε λοιπόν, μεταξύ άλλων, δύο με ιδιότητες όμοιες με αυτές του μαγγανίου. Τα ονόμασε eka-μαγγάνιο και dvi-μαγγάνιο. Που σημαίνει στα σανσκριτικά ένα-μαγγάνιο και δύο-μαγγάνιο. Το 1925 στο Βερολίνο οι Βάλτερ Νόντακ και Ιντα Τάκε, με τον Οτο Μπεργκ να επιβεβαιώνει, έπειτα από εξονυχιστική φασματοσκοπική εξέταση, την ανακάλυψή τους, μπορούσαν να καμαρώνουν ότι 56 χρόνια μετά την πρόβλεψη του Μεντελέγεφ το ως τότε άγνωστο αλλά αναμενόμενο στοιχείο το βρήκαν σε μεταλλεύματα λευκόχρυσου και ενός ορυκτού με το όνομα κολουμβίτης. Αργότερα αποδείχθηκε ότι ένας ιάπωνας ερευνητής, ο Μασατάκα Ογκάουα, το είχε ανακαλύψει και αυτός, αλλά δεν είχε υποστηρίξει σωστά την ανακάλυψή του. Του είχε δοθεί μάλιστα το όνομα νιπόνιο, όμως μετά την ανακοίνωση των Νόντακ – Τάκε και την ανακάλυψη σε εργαστήριο του Βερολίνου ονομάστηκε ρήνιο από τον γερμανικό ποταμό Ρήνο. Λόγω λοιπόν της ονομασίας του, της σπανιότητάς του αλλά και της υψηλής τιμής του, δικαιολογείται ίσως να του αποδίδουμε κάπως βαγκνερικά την προσωνυμία «χρυσός του Ρήνου».

Ατομικός αριθμός:75

Ατομικό βάρος:186.207

Σημείο τήξης:3.180^οC

Σημείο ζέσης:5.625^οC

Αριθμός ισοτόπων:35

Είναι μέταλλο, αλλά ένα από τα πιο σπάνια που μπορούμε να συναντήσουμε στην επιφάνεια της Γης. Ανάμεσα στα 35 ισότοπα υπάρχουν μόνο δύο που συναντώνται στη φύση. Το ρήνιο-185 είναι σταθερό, ενώ το ρήνιο-187 είναι ασταθές και ραδιενεργό αλλά έχοντας χρόνο ημιζωής 10 δισεκατομμύρια χρόνια και εκπέμποντας πολύ χαμηλής ενέργειας ακτίνες-β (= ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια) μάλλον σαν σταθερό συμπεριφέρεται.

Δεν υπάρχουν αναφορές για περιπτώσεις ανθρώπων που έπεσαν θύματα της τοξικότητας του ρηνίου, αλλά αυτό δεν σημαίνει πως είμαστε και σίγουροι ότι είναι εντελώς ακίνδυνο. Επίσης είναι γνωστό ότι ραδιενεργά ισότοπα του ρηνίου, Re-186 (χρόνος ημιζωής: 89 ώρες) και Re-188 (χρόνος ημιζωής: 17 ώρες), έχουν χρησιμοποιηθεί για τη θεραπεία του καρκίνου του ήπατος. Το πρώτο εισχωρεί στους ιστούς σε βάθος 5 χιλιοστών και το δεύτερο σε βάθος 11 χιλιοστών, αλλά το Re-186 πλεονεκτεί διότι ο χρόνος ημιζωής είναι περίπου πέντε φορές μεγαλύτερος. Στα πειράματα με ραδιοφάρμακα χρησιμοποιείται κατά κάποιον τρόπο σαν προσομοιωτής για τη δράση ενός ισοτόπου άλλου στοιχείου, το οποίο έχουμε ήδη παρουσιάσει και λέγεται τεχνήτιο, διότι το τελευταίο αυτό είναι πολύ πιο ακριβό και με μικρό χρόνο ημιζωής.

Το 1928 οι Νόντακ και Τάκε από 660 κιλά του ορυκτού μολυβδενίτης κατάφεραν να βγάλουν μόλις ένα γραμμάριο καθαρού μετάλλου. Είναι πολύ δύσκολο να βρεις ρήνιο σε ποσότητα. Οι συλλέκτες πληρώνουν ως και 1.800 δολάρια για 100 γραμμάρια και για βιομηχανικές κατασκευές μια λογική τιμή θεωρούνται τα 4.000 ευρώ για ένα κιλό, αλλά αναφέρονται τιμές ως και 7.000 ευρώ. Η Χιλή είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός ρηνίου, που βγαίνει από τα άφθονα κοιτάσματα χαλκού της χώρας αυτής, ενώ η παγκόσμια παραγωγή είναι γύρω στους 55 τόνους.

Τι μπορείς να κάνεις με το ρήνιο; Λίγο περισσότεροι από 40 τόνους πηγαίνουν για την κατασκευή πτερυγίων σε μηχανές αεριώθησης, σε θαλάμους καύσης και σε εξατμίσεις κινητήρων αεροπλάνων. Ο κινητήρας F-100 της Pratt & Whitney και ο κινητήρας CFM56-5B στο Α-320 της Airbus, που φθάνουν κατά τον χρόνο λειτουργίας τους και τους 1.100 βαθμούς Κελσίου, είναι απόδειξη για τα προηγούμενα. Το κράμα νικελίου – ρηνίου με 6% ρήνιο ανήκει στα λεγόμενα υπερκράματα, αντέχει σε θερμοκρασίες ως και 1.600 βαθμούς Κελσίου, ενώ σε καθαρή κατάσταση έχει το τρίτο υψηλότερο σημείο τήξης, μετά τον άνθρακα και το βολφράμιο, από όλα τα στοιχεία που υπάρχουν στον πίνακα, άρα και στο Σύμπαν. Ακόμη πιο ψηλά, ψηλότερα δεν γίνεται, βρίσκεται το σημείο βρασμού του που το φέρνει πρώτο από όλα τα στοιχεία.

Ενας πραγματικά «δυνατός» συνδυασμός είναι το κράμα βολφράμιο – ρήνιο, αφού και τα δύο μαζί έχουν το πρώτο και το τέταρτο υψηλότερο σημείο τήξης. Γι’ αυτό χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πηγών δημιουργίας ακτίνων-Χ, ανθεκτικών στο να δέχονται βομβαρδισμό από ηλεκτρόνια και όλη αυτή η εναποτιθέμενη ενέργεια, λόγω των κρούσεων που γίνονται θερμότητα, να μην αλλοιώνει την απόδοσή τους.

Ρήνιο βρίσκουμε σε πλέγματα που φθάνουν σε υψηλές θερμοκρασίες για να δώσουν φως αλλά ταυτόχρονα χρησιμοποιούνται σε χώρους όπου υπάρχει οξυγόνο (άρα εύκολο είναι εκεί να οξειδωθούν), όπως αυτό συμβαίνει σε φασματογράφους μάζας και στις λάμπες-φλας των φωτογραφικών μηχανών.

Ενα άλλο πολύ σοβαρό πεδίο εφαρμογών για το ρήνιο είναι οι καταλύτες. Ιδιαίτερα για την παραγωγή βενζίνης υψηλών οκτανίων. Διότι οι καταλύτες που περιέχουν και ρήνιο παρουσιάζουν μεγάλη αντίσταση στην ονομαζόμενη «δηλητηρίαση του καταλύτη», δηλαδή την αχρήστευσή του, εξαιτίας των αντιδράσεων με άζωτο, θείο και φωσφόρο. Ρήνιο λοιπόν σε κράμα με λευκόχρυσο χρησιμοποιείται στην «καταλυτική αναδόμηση», ένα πολύ βασικό στάδιο στη διύλιση του πετρελαίου. Αναφέρεται μάλιστα ότι το 30% των καταλυτών που χρησιμοποιούνται σε όλον τον κόσμο περιέχει ρήνιο!

Στα αρχικά στάδια της διύλισης του πετρελαίου, αφού απαλλαχθεί όσο το δυνατόν από τα θειώδη συστατικά του, προκύπτει ένα μείγμα υδρογονανθράκων που αποτελεί την πρώτη και απευθείας παραλαμβανόμενη νάφθα. Ακολουθεί για αυτήν μια απόσταξη που χωρίζει τις νάφθες σε βαριές (με περισσότερους από 6 άνθρακες στο κάθε μόριο) και ελαφριές. Οι βαριές είναι που ενδιαφέρουν για την παραγωγή βενζίνης και εκεί χρησιμοποιείται το ρήνιο ως καταλύτης. Για να παραχθεί όμως καλής ποιότητας βενζίνη, πρέπει να μετατραπούν οι υδρογονάνθρακες από τις βαριές νάφθες, οι παραφίνες, που έχουν τους άνθρακες σε ευθεία γραμμή στο μόριο σε διακλαδισμένα και κυρίως σε κυκλικά μόρια, σε αυτούς δηλαδή που ονομάζουμε, παραδόξως, αρωματικούς και είναι η βάση στις βενζίνες κίνησης. Σε αυτή τη μετατροπή βοηθούν οι καταλύτες με το ρήνιο.