Rhenium (Re) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Rhenium gehört zu den seltensten Elementen der Erdkruste und ist zugleich eines der temperaturbeständigsten Metalle überhaupt. Mit einem Schmelzpunkt von etwa 3186 °C wird es nur von wenigen Elementen übertroffen. Diese außergewöhnliche Eigenschaft macht Rhenium zu einem wertvollen Werkstoff für technische Anwendungen, bei denen andere Metalle längst versagen würden. Besonders in modernen Flugzeugtriebwerken, Hochtemperaturlegierungen und industriellen Katalysatoren spielt das Element eine wichtige Rolle. Obwohl Rhenium im Alltag nahezu unsichtbar bleibt, trägt es dazu bei, dass Turbinen effizienter arbeiten und chemische Produktionsverfahren wirtschaftlicher ablaufen.

Rhenium im Periodensystem – die wichtigsten Eigenschaften

Rhenium ist ein silbrig-weißes, sehr dichtes Übergangsmetall. Es steht in der siebten Gruppe des Periodensystems, unter Mangan und Technetium. Seine chemischen Eigenschaften zeigen einige Gemeinsamkeiten mit diesen Elementen, unterscheiden sich jedoch deutlich in wichtigen Einzelheiten.

Mit einer Dichte von rund 21 g/cm³ gehört Rhenium zu den schwersten Metallen. Ein Würfel aus Rhenium mit einer Kantenlänge von nur fünf Zentimetern hätte bereits eine Masse von ungefähr 2,6 Kilogramm. Gleichzeitig besitzt das Metall eine bemerkenswerte mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen.

Die Stellung von Rhenium im Periodensystem und seine Elektronenstruktur lassen sich im Online-Periodensystem von blume nachvollziehen.

Entdeckung von Rhenium – ein Element aus Deutschland

Die Entdeckung von Rhenium ist eng mit der Entwicklung der modernen analytischen Chemie verbunden. Im Jahr 1925 gelang es den deutschen Chemikern Walter Noddack, Ida Tacke und Otto Berg, Hinweise auf ein bis dahin unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 75 nachzuweisen. Ida Tacke wurde später unter dem Namen Ida Noddack bekannt.

Zu dieser Zeit waren im Periodensystem noch einige Plätze unbesetzt. Aufgrund der Systematik des Periodensystems vermuteten Wissenschaftler bereits, dass zwischen den bekannten Elementen weitere chemische Elemente existieren mussten. Der Nachweis war jedoch schwierig, weil die gesuchten Stoffe nur in äußerst geringen Konzentrationen vorkamen.

Die Forscher untersuchten verschiedene Mineralien mithilfe der Röntgenspektroskopie. Dabei identifizierten sie charakteristische Spektrallinien, die dem bis dahin unbekannten Element 75 zugeordnet werden konnten. Nach umfangreichen Untersuchungen gelang es ihnen, Rheniumverbindungen anzureichern und schließlich kleine Mengen des Metalls zu gewinnen.

Der Name Rhenium leitet sich vom lateinischen Rhenus ab, der Bezeichnung für den Rhein. Damit erhielt das Element einen geografisch geprägten Namen.

Rhenium gilt als das letzte natürlich vorkommende Element mit einem stabilen beziehungsweise extrem langlebigen primordialen Isotopenbestand, dessen Entdeckung allgemein anerkannt wurde. Später entdeckte natürliche radioaktive Elemente sind von dieser historischen Einordnung zu unterscheiden.

Warum ist Rhenium so hitzebeständig?

Die außergewöhnliche Temperaturbeständigkeit von Rhenium hängt mit der starken metallischen Bindung zwischen seinen Atomen zusammen. Um das feste Metall zu schmelzen, muss sehr viel Energie aufgebracht werden.

Mit etwa 3186 °C besitzt Rhenium nach Wolfram einen der höchsten Schmelzpunkte aller Metalle. Sein Siedepunkt liegt sogar bei ungefähr 5596 °C. Diese Werte machen deutlich, weshalb Rhenium für Anwendungen interessant ist, bei denen hohe thermische Belastungen auftreten.

Ein hoher Schmelzpunkt allein reicht allerdings nicht aus, um einen Werkstoff für Turbinen oder andere Hochtemperaturmaschinen geeignet zu machen. Entscheidend ist auch, ob er unter mechanischer Belastung seine Form behält.

Bei hohen Temperaturen können Metalle langsam und dauerhaft verformt werden, selbst wenn die wirkende Kraft unterhalb ihrer gewöhnlichen Festigkeitsgrenze liegt. Dieser Vorgang wird als Kriechen bezeichnet.

Rhenium kann in bestimmten Legierungen die Hochtemperaturfestigkeit und das Kriechverhalten verbessern. Deshalb ist es insbesondere für Werkstoffe von Bedeutung, die über lange Zeit starken thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Allerdings besitzt auch Rhenium Grenzen: Bei hohen Temperaturen in sauerstoffhaltiger Atmosphäre können sich flüchtige Rheniumoxide bilden. Die hervorragende Hitzebeständigkeit des Metalls bedeutet daher nicht, dass es unter allen Bedingungen oxidationsbeständig wäre.

Rhenium in Flugzeugtriebwerken – kleine Mengen mit großer Wirkung

Eine der wichtigsten Anwendungen von Rhenium liegt in sogenannten Nickelbasis-Superlegierungen. Diese Werkstoffe werden beispielsweise für besonders stark beanspruchte Bauteile von Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken verwendet.

In modernen Strahltriebwerken erreichen die heißen Gase Temperaturen, die deutlich über dem Schmelzpunkt vieler gewöhnlicher Konstruktionsmetalle liegen. Die Turbinenschaufeln müssen dabei nicht nur Hitze widerstehen, sondern gleichzeitig hohen Fliehkräften und dauerhaften mechanischen Belastungen standhalten.

Nickelbasis-Superlegierungen enthalten neben Nickel weitere Elemente, etwa Chrom, Aluminium, Kobalt, Tantal, Wolfram und – je nach Legierung – Rhenium. Durch eine sorgfältig abgestimmte Zusammensetzung und ein kontrolliertes Herstellungsverfahren entstehen Werkstoffe mit außergewöhnlicher Hochtemperaturfestigkeit.

Rhenium kann dabei helfen, die zeitabhängige Verformung des Materials zu verringern. In bestimmten Superlegierungen trägt es dazu bei, dass Turbinenschaufeln auch unter extremen Betriebsbedingungen ihre mechanischen Eigenschaften länger behalten.

Besonders anspruchsvolle Turbinenschaufeln werden teilweise als Einkristalle hergestellt. Dabei wird das Bauteil so gegossen, dass es möglichst keine Korngrenzen enthält. Solche Grenzen können bei hohen Temperaturen bevorzugte Bereiche für Verformung und Schädigung darstellen.

Die Kombination aus spezieller Legierungszusammensetzung, einkristalliner Herstellung und ausgeklügelter Kühlung ermöglicht den Betrieb moderner Hochleistungsturbinen.

Rhenium macht Flugzeugtriebwerke nicht allein leistungsfähiger. Es ist vielmehr ein wichtiger Bestandteil eines komplexen Werkstoffsystems, in dem viele Elemente zusammenwirken.

Wo kommt Rhenium in der Natur vor?

Rhenium ist in der Erdkruste außerordentlich selten. Seine durchschnittliche Konzentration wird häufig auf etwa 0,7 bis 1 Teil pro Milliarde geschätzt. Damit gehört es zu den seltensten wirtschaftlich genutzten Metallen.

Anders als Eisen, Kupfer oder Aluminium bildet Rhenium nur selten eigenständige, wirtschaftlich bedeutende Lagerstätten. Es tritt überwiegend in sehr geringen Mengen zusammen mit anderen Metallen auf.

Besonders wichtig ist seine Verbindung zu Molybdänmineralien. In bestimmten Molybdänit-Vorkommen kann Rhenium in die Kristallstruktur des Minerals eingebaut sein. Molybdänit besitzt die chemische Formel MoS₂ und ist ein bedeutendes Erz für die Molybdängewinnung.

Wirtschaftlich relevant sind vor allem große Kupfer-Molybdän-Lagerstätten, in denen Rhenium als Begleitelement vorkommt.

Es existieren zwar auch eigenständige Rheniumminerale, etwa das seltene Sulfid Rheniit (ReS₂). Für die industrielle Versorgung sind solche Mineralfunde jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Die Seltenheit des Elements erklärt, weshalb seine Gewinnung eng mit anderen metallurgischen Produktionsprozessen verbunden ist.

Gewinnung von Rhenium – ein wertvolles Nebenprodukt

Rhenium wird überwiegend nicht in eigenständigen Bergwerken abgebaut, sondern als Nebenprodukt bei der Verarbeitung molybdänhaltiger Rohstoffe gewonnen.

Ein wichtiger Ausgangspunkt ist die Röstung von Molybdänitkonzentraten. Dabei werden sulfidische Mineralien unter Sauerstoffzufuhr erhitzt. Während Molybdän überwiegend in oxidierter Form zurückbleibt, kann ein Teil des Rheniums in flüchtige Oxidverbindungen übergehen.

Diese Rheniumverbindungen lassen sich aus den Prozessgasen beziehungsweise den nachgeschalteten Waschlösungen zurückgewinnen. Nach weiteren Trenn- und Reinigungsschritten wird häufig Ammoniumperrhenat hergestellt, eine Verbindung mit der Formel NH₄ReO₄.

Ammoniumperrhenat ist ein wichtiges Zwischenprodukt für die Herstellung von Rheniummetall und Rheniumverbindungen.

Durch Reduktion mit Wasserstoff kann daraus metallisches Rhenium gewonnen werden. Vereinfacht lässt sich die Reduktion des Perrhenat-Anions zu Rhenium als Übergang von der Oxidationsstufe +7 zum elementaren Metall mit der Oxidationsstufe 0 verstehen.

Die anschließende Verarbeitung erfolgt häufig pulvermetallurgisch. Dabei wird Rheniumpulver verdichtet und bei hohen Temperaturen zu einem festen Werkstoff gesintert.

Weil die Gewinnung von der Verarbeitung anderer Erze abhängt, lässt sich die Rheniumproduktion nicht beliebig und kurzfristig steigern. Das ist ein wichtiger Grund dafür, dass Rhenium als wirtschaftlich und technologisch kritischer Rohstoff betrachtet wird.

Rhenium als Katalysator in der chemischen Industrie

Neben seinem Einsatz in Hochtemperaturlegierungen besitzt Rhenium eine weitere bedeutende Anwendung: die Katalyse.

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen oder ermöglichen einen günstigeren Reaktionsweg, ohne dabei insgesamt verbraucht zu werden. In der industriellen Chemie können sie die Ausbeute, Selektivität und Energieeffizienz von Produktionsverfahren verbessern.

Besonders bekannt sind Platin-Rhenium-Katalysatoren, die beim katalytischen Reformieren in Erdölraffinerien eingesetzt werden.

Beim Reformieren werden bestimmte Kohlenwasserstoffgemische chemisch umgewandelt. Ziel ist unter anderem die Herstellung von Benzinkomponenten mit einer höheren Oktanzahl. Außerdem entsteht dabei Wasserstoff, der für weitere Raffinerieprozesse genutzt werden kann.

Platin übernimmt wichtige katalytische Funktionen, während Rhenium die Eigenschaften des Katalysatorsystems beeinflusst und unter geeigneten Betriebsbedingungen dessen Stabilität und Leistungsfähigkeit verbessern kann.

Rheniumhaltige Katalysatoren finden außerdem in weiteren chemischen Reaktionen Anwendung. Dazu gehören bestimmte Hydrierungen und Reaktionen, bei denen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gezielt umgewandelt werden.

Ein besonders interessantes Forschungsgebiet ist die Olefinmetathese. Dabei werden Bindungspartner zwischen ungesättigten organischen Molekülen neu verteilt. Einige Rheniumverbindungen können solche Reaktionen katalysieren.

Rhenium zeigt damit zwei sehr unterschiedliche Seiten: Als Metall hilft es, extreme Temperaturen zu beherrschen, und in geeigneten chemischen Verbindungen unterstützt es die gezielte Umwandlung von Molekülen.

Chemische Eigenschaften und wichtige Verbindungen

Rhenium ist ein Übergangsmetall mit einer vielseitigen Chemie. Besonders charakteristisch ist, dass es in zahlreichen Oxidationsstufen auftreten kann.

Die Oxidationsstufe +7 gehört zu den wichtigsten und stabilsten Zuständen in vielen sauerstoffhaltigen Rheniumverbindungen. Ein Beispiel ist das Perrhenat-Ion ReO₄⁻.

Dieses Ion besitzt eine tetraedrische Struktur. Es zeigt in seiner Zusammensetzung eine gewisse Ähnlichkeit zum Permanganat-Ion MnO₄⁻, unterscheidet sich jedoch deutlich in seiner chemischen Reaktivität.

Während Permanganat unter vielen Bedingungen ein starkes Oxidationsmittel ist, verhält sich Perrhenat wesentlich weniger oxidierend. Die Zugehörigkeit zur gleichen Elementgruppe bedeutet also nicht, dass sich die Verbindungen identisch verhalten.

Wichtige Rheniumverbindungen sind:

• Rhenium(VII)-oxid (Re₂O₇): ein Oxid, das mit Wasser Perrheniumsäure bilden kann.

• Ammoniumperrhenat (NH₄ReO₄): ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Gewinnung und Reinigung von Rhenium.

• Rhenium(IV)-oxid (ReO₂): eine Verbindung des vierwertigen Rheniums.

• Rhenium(VII)-sulfid (Re₂S₇): eine schwefelhaltige Rheniumverbindung.

• Rheniumcarbonyle: metallorganische Verbindungen, die unter anderem für die Koordinationschemie und Katalyse von Interesse sind.

Die vielfältigen Oxidationsstufen und Bindungsmöglichkeiten machen Rhenium auch für die Grundlagenforschung interessant.

Rhenium und Wolfram – zwei Hochtemperaturmetalle im Vergleich

Rhenium wird häufig gemeinsam mit Wolfram betrachtet. Beide Elemente besitzen sehr hohe Schmelzpunkte und eignen sich für besondere Hochtemperaturanwendungen.

Wolfram hat mit etwa 3422 °C den höchsten Schmelzpunkt aller reinen Metalle. Rhenium folgt mit etwa 3186 °C auf dem zweiten Platz.

Trotz dieser Gemeinsamkeit unterscheiden sich die Metalle in ihrer mechanischen Verarbeitung. Wolfram kann bei Raumtemperatur spröde sein, insbesondere abhängig von Reinheit, Gefüge und Herstellungszustand. Rhenium ist unter geeigneten Bedingungen vergleichsweise duktil und kann die Eigenschaften bestimmter Wolframlegierungen verbessern.

Wolfram-Rhenium-Legierungen werden beispielsweise für spezielle Thermoelemente verwendet. Solche Temperaturfühler nutzen den thermoelektrischen Effekt: Zwischen zwei unterschiedlichen metallischen Leitern entsteht bei einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung.

Wolfram-Rhenium-Thermoelemente eignen sich für sehr hohe Messtemperaturen, allerdings vor allem in geeigneten Schutzatmosphären oder im Vakuum. In oxidierender Luft sind sie bei hohen Temperaturen nur eingeschränkt verwendbar.

Auch in speziellen elektrischen Kontakten, Heizsystemen und wissenschaftlichen Geräten können rheniumhaltige Werkstoffe eingesetzt werden.

Isotope von Rhenium – ein ungewöhnlicher Fall natürlicher Radioaktivität

Natürliches Rhenium besteht im Wesentlichen aus zwei Isotopen:

Besonders bemerkenswert ist Rhenium-187. Es zerfällt durch Beta-Minus-Zerfall zu Osmium-187, besitzt jedoch eine extrem lange Halbwertszeit von ungefähr 41,6 Milliarden Jahren.

Zum Vergleich: Das Alter der Erde beträgt etwa 4,54 Milliarden Jahre. Die Halbwertszeit von Rhenium-187 ist somit ungefähr neunmal so groß wie das Erdalter.

Aufgrund dieses langsamen Zerfalls ist die spezifische Aktivität natürlichen Rheniums gering. Das Element wird deshalb in gewöhnlichen technischen Anwendungen nicht als stark radioaktiver Stoff wahrgenommen.

Der Zerfall von Rhenium-187 hat außerdem eine wichtige wissenschaftliche Bedeutung: Er bildet die Grundlage der Rhenium-Osmium-Datierung.

Die Rhenium-Osmium-Methode – wie man das Alter von Gesteinen bestimmt

Die Rhenium-Osmium-Methode ist ein radiometrisches Datierungsverfahren, mit dem sich das Alter bestimmter Gesteine und Mineralien untersuchen lässt.

Das Grundprinzip beruht auf dem radioaktiven Zerfall von Rhenium-187 zu Osmium-187.

Da dieser Zerfall mit einer bekannten Geschwindigkeit abläuft, können Wissenschaftler aus geeigneten Isotopenverhältnissen Rückschlüsse auf geologische Zeiträume ziehen.

Besonders interessant ist die Methode für die Untersuchung bestimmter sulfidischer Mineralien, darunter Molybdänit. Solche Mineralien können Rhenium enthalten, während das Verhältnis zu Osmium unter geeigneten Bedingungen eine Altersbestimmung ermöglicht.

Die Rhenium-Osmium-Datierung wird unter anderem eingesetzt, um die Entstehung von Erzlagerstätten und geologische Prozesse im Erdmantel zu erforschen.

Damit besitzt Rhenium nicht nur eine technische, sondern auch eine wichtige geowissenschaftliche Bedeutung.

Rhenium in der Medizin – radioaktive Isotope für die Therapie

Neben seinen natürlichen Isotopen gibt es künstlich hergestellte radioaktive Rheniumisotope, die in der Nuklearmedizin untersucht beziehungsweise eingesetzt werden.

Von besonderem Interesse sind Rhenium-186 und Rhenium-188.

Diese Isotope senden beim Zerfall Betastrahlung aus und können an geeignete Trägermoleküle oder medizinische Wirkstoffe gebunden werden. Ziel ist es, radioaktive Strahlung möglichst gezielt an krankhaft verändertes Gewebe zu bringen.

Rhenium-186 wurde unter anderem für bestimmte radionuklidtherapeutische Anwendungen genutzt. Rhenium-188 ist wegen seiner physikalischen Eigenschaften ebenfalls für therapeutische Verfahren und die radiopharmazeutische Forschung interessant.

Die medizinische Verwendung solcher Isotope ist streng reguliert und darf nicht mit den Eigenschaften gewöhnlichen metallischen Rheniums verwechselt werden.

Recycling und wirtschaftliche Bedeutung

Rhenium ist selten, teuer und in einigen Hochtechnologien schwer zu ersetzen. Deshalb besitzt das Recycling eine besondere Bedeutung.

Wertvolle Rheniummengen können beispielsweise aus Produktionsresten von Superlegierungen, gebrauchten Turbinenbauteilen und verbrauchten Katalysatoren zurückgewonnen werden.

Das Recycling ist technisch anspruchsvoll, weil Rhenium häufig nur einen kleinen Anteil komplex zusammengesetzter Materialien ausmacht. Dennoch kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, da die Gewinnung aus Primärrohstoffen aufwendig ist.

Für die langfristige Versorgung spielen daher mehrere Faktoren zusammen: die Verfügbarkeit geeigneter Kupfer-Molybdän-Lagerstätten, die Rückgewinnung aus industriellen Prozessen, der sparsame Einsatz in Legierungen und die Entwicklung geeigneter Recyclingverfahren.

Auch die Forschung an rheniumärmeren Superlegierungen ist von Bedeutung. Dabei geht es darum, die gewünschten Hochtemperatureigenschaften möglichst mit einem geringeren Anteil des seltenen Metalls zu erreichen.

Ist Rhenium giftig oder gefährlich?

Für Rhenium ist keine gesicherte biologische Funktion im menschlichen Organismus bekannt. Es zählt nicht zu den anerkannten essenziellen Spurenelementen.

Massives metallisches Rhenium gilt unter üblichen Handhabungsbedingungen als vergleichsweise wenig reaktiv. Daraus lässt sich jedoch nicht ableiten, dass sämtliche Rheniumverbindungen ungefährlich sind.

Die gesundheitlichen Risiken hängen stark von der jeweiligen chemischen Verbindung, der Konzentration und dem Aufnahmeweg ab. Besonders bei der Verarbeitung von Metallpulvern und löslichen Rheniumverbindungen sind geeignete Schutzmaßnahmen erforderlich.

Auch bei hohen Temperaturen können problematische Oxide entstehen. Für die industrielle Verarbeitung sind deshalb eine kontrollierte Prozessführung und die Einhaltung geltender Arbeitsschutzvorschriften wichtig.

Fünf interessante Fakten über Rhenium

1. Rhenium wurde nach dem Rhein benannt. Der lateinische Name Rhenus erinnert an die geografische Herkunft der Namensgebung.

2. Rhenium wurde erst 1925 entdeckt. Trotz seiner natürlichen Existenz blieb es lange unbekannt, weil es nur in äußerst geringen Konzentrationen vorkommt.

3. Rhenium hat den zweithöchsten Schmelzpunkt aller reinen Metalle. Nur Wolfram liegt noch darüber.

4. Ein natürliches Rheniumisotop ist radioaktiv. Rhenium-187 besitzt jedoch eine so lange Halbwertszeit, dass sein Zerfall über geologische Zeiträume betrachtet werden muss.

5. Rhenium verbindet Luftfahrt und Geologie. Es verbessert bestimmte Hochtemperaturlegierungen und ermöglicht gleichzeitig die Altersbestimmung von Mineralien mithilfe der Rhenium-Osmium-Methode.

Fazit: Ein seltenes Metall mit großer technischer Bedeutung

Rhenium ist ein Beispiel dafür, dass die Bedeutung eines chemischen Elements nicht von seiner Häufigkeit abhängt. Obwohl es in der Erdkruste nur in winzigen Mengen vorkommt, ist es für ausgewählte Hochtechnologien außerordentlich wertvoll.

Seine hohe Temperaturbeständigkeit macht Rhenium zu einem wichtigen Legierungsbestandteil für anspruchsvolle Turbinenwerkstoffe. Als Bestandteil industrieller Katalysatoren unterstützt es chemische Produktionsverfahren, während sein radioaktives Isotop Rhenium-187 in der Geologie als natürliche Uhr dient.

Gerade diese Verbindung von Werkstoffwissenschaft, Chemie und Geowissenschaft macht Rhenium zu einem faszinierenden Element des Periodensystems.

Wer die Stellung von Rhenium innerhalb der Übergangsmetalle und die Beziehungen zu seinen Nachbarelementen genauer betrachten möchte, findet im interaktiven Online-Periodensystem von blume eine übersichtliche Darstellung der Elemente und ihrer Eigenschaften.

Quellen und weiterführende Literatur

Buchquellen

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5. Insbesondere die Darstellung von Rhenium und seinen technischen Anwendungen.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9. Insbesondere die Angaben zu Entdeckung, Eigenschaften und Verwendung von Rhenium.

Wissenschaftliche Referenzquellen

• International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC): Periodic Table of the Elements – https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/

• Royal Society of Chemistry: Rhenium – Element Information, Properties and Uses – https://www.rsc.org/periodic-table/element/75/rhenium

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Spectra Database – https://physics.nist.gov/asd

• U.S. Geological Survey (USGS): Mineral Commodity Summaries – Rhenium – https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center

• International Atomic Energy Agency (IAEA): Fachinformationen zu Radionukliden und nuklearmedizinischen Anwendungen – https://www.iaea.org/