РУБІДІЙ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ОТРИМАННЯ, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Рубідію являє собою металевий елемент , що належить до групи 1 періодичної таблиці: лужний метал, представлені хімічним символом Rb. Його назва звучить як рубін, і це тому, що коли було виявлено його спектр випромінювання показав характерні лінії глибокого червоного кольору.

Це один з найбільш реагуючих металів, який існує. Це перший з лужних металів, який, незважаючи на те, що не дуже щільний, опускається у воду. Він також реагує з ним більш вибухонебезпечно порівняно з літієм, натрієм та калієм. Були експерименти, в яких пухирі лопаються там, де вона зберігається (зображення знизу), щоб падати і вибухати у ваннах.

Ампула з одним грамом рубідію, що зберігається в інертній атмосфері. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

Рубідій відрізняється тим, що метал дорожчий, ніж саме золото; не стільки через її дефіцитність, скільки через широке мінералогічне поширення в земній корі та труднощі, що виникають при виділенні її із сполук калію та цезію.

Він демонструє чітку тенденцію до асоціації з калієм у його мінералах, що є домішками. Не тільки в геохімічних питаннях він утворює дует з калієм, але і в галузі біохімії.

Організм "помиляє" іони К ⁺ для тих, що містять Rb ⁺ ; однак рубідій на сьогодні не є важливим елементом, оскільки його роль у метаболізмі невідома. Незважаючи на це, препарати рубідію використовували для полегшення певних захворювань, таких як депресія та епілепсія. З іншого боку, обидва іони видають фіолетове полум'я в запалі запалювача.

Через свою високу вартість його застосування базується не надто на синтезі каталізаторів чи матеріалів, а як компонент для різних пристроїв з теоретичними фізичними основами. Один з них - атомний годинник, сонячні батареї та магнітометри. Ось чому рубідій іноді розглядають як недооцінений або недостатньо вивчений метал.

Історія

Рубідій був відкритий у 1861 році німецькими хіміками Робертом Бунзеном та Густавом Кірхгофом за допомогою спектроскопії. Для цього вони використовували пальник Бунзена та спектроскоп, винайдений двома роками раніше, а також аналітичні методи осадження опадів. Їх об'єктом дослідження був мінеральний лепідоліт, зразок якого був зібраний із Саксонії, Німеччина.

Вони почали зі 150 кг мінералу лепідоліту, який обробляли хлороплатиновою кислотою, H ₂ PtCl ₆ , для осадження гексахлороплатината калію, K ₂ PtCl ₆ . Однак, коли вони вивчали його спектр, спалюючи його в конфорці Бунзена, вони зрозуміли, що він виявляє лінії викидів, які не збігаються з жодним іншим елементом на той час.

Спектр викидів цього нового елемента характеризується наявністю двох чітко визначених ліній в червоній області. Ось чому вони охрестили його назвою "rubidus", що означає "темно-червоний". Пізніше Бунзену та Кірхгофу вдалося відокремити Rb ₂ PtCl ₆ від K ₂ PtCl ₆ фракційною кристалізацією; нарешті звести її до хлоридної солі за допомогою водню.

Визначаючи і виділяючи сіль нового елемента рубідію, німецьким хімікам потрібно було лише звести його до його металевого стану. Для цього вони намагалися двома способами: застосовуючи електроліз до рубідію хлориду або нагріваючи сіль, яку легше зменшити, наприклад, її тартарат. Таким чином, народився металевий рубідій.

Фізичні та хімічні властивості

Зовнішній вигляд

М'який, сріблясто-сірий метал. Це так гладко, що схоже на масло. Зазвичай він упаковується у скляні ампули, всередині яких панує інертна атмосфера, що захищає його від реакції з повітрям.

Атомне число (Z)

37

Молярна маса

85,4678 г / моль

Точка плавлення

39 ºC

Точка кипіння

688 ºC

Щільність

При кімнатній температурі: 1,532 г / см ³

При температурі плавлення: 1,46 г / см ³

Щільність рубідію вище, ніж у води, тому він затопить, бурхливо реагуючи з ним.

Тепло синтезу

2,19 кДж / моль

Тепло випаровування

69 кДж / моль

Електронегативність

0,82 за шкалою Полінга

Електронна спорідненість

46,9 кДж / моль

Енергії іонізації

-По-перше: 403 кДж / моль (Rb ⁺ газоподібний)

-Друге: 2632,1 кДж / моль (Rb ²⁺ газоподібний)

-Трете: 3859,4 кДж / моль (Rb ³⁺ газоподібні)

Атомне радіо

248 вечора (емпіричний)

Теплопровідність

58,2 Вт / (м К)

Електричний опір

128 nΩ м при 20 ° C

Твердість Мооса

0,3. Тому навіть тальк складніше, ніж металевий рубідій.

Реактивність

Випробування полум'ям на рубідій. Коли він реагує, він видає фіолетове полум'я. Джерело: Didaktische.Medien

Рубідій - один з найбільш реакційноздатних лужних металів, після цезію та францію. Як тільки він потрапляє на повітря, він починає горіти, і якщо його вдарити, він стріляє легкими іскрами. При нагріванні він також випромінює фіолетове полум'я (верхнє зображення), що є позитивним тестом для іонів Rb ⁺ .

Він реагує з киснем, утворюючи суміш пероксидів (Rb ₂ O ₂ ) та супероксидів (RbO ₂ ). Хоча він не реагує з кислотами та основами, він бурхливо реагує з водою, утворюючи гідроксид рубідію та водень:

Rb (s) + H ₂ O (l) => RbOH (aq) + H ₂ (g)

Реагує з воднем з утворенням відповідного йому гідриду:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

А також з галогенами та сіркою вибухонебезпечно:

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Хоча рубідій не вважається токсичним елементом, він потенційно небезпечний і становить небезпеку від пожежі при контакті з водою та киснем.

Структура та електронна конфігурація

Атоми рубідію розташовані таким чином, щоб утворився кристал з кубічною структурою, орієнтованою на тіло (ОЦК). Ця структура характерна для лужних металів, які легкі і схильні плавати на воді; за винятком рубідію вниз (цезію та францію).

У кристалах рубідію ОЦК їх атоми Rb взаємодіють один з одним завдяки металевому зв’язку. Це регулює "море електронів" з його валентної оболонки, з орбіталі 5-х відповідно до її електронної конфігурації:

5s ¹

Всі орбіталі 5s зі своїм одиничним електроном перекриваються у всіх розмірах металевих кристалів рубідію. Однак ці взаємодії є слабкими, оскільки в міру руху вниз групи лужних металів орбіталі стають більш дифузними і, отже, металічний зв’язок слабшає.

Ось чому температура плавлення рубідію становить 39ºC. Так само його слабкий металевий зв’язок пояснює м'якість його твердого тіла; такий м'який, що схожий на сріблясте масло.

Існує недостатньо бібліографічної інформації щодо поведінки його кристалів під високим тиском; якщо є більш щільні фази з унікальними властивостями, такі як натрій.

Окислювальні числа

Його електронна конфігурація одразу вказує на те, що рубідій сильно прагне втратити свій єдиний електрон, щоб стати ізоелектронним для криптону благородного газу. Коли це відбувається, ^{утворюється} одновалентний катіон Rb ⁺ . Потім говориться, що в своїх сполуках він має окислювальне число +1, коли передбачається існування цього катіону.

Через схильність рубідію до окислення припущення про існування іонів Rb ⁺ у його сполуках є правильним, що в свою чергу вказує на іонний характер цих сполук.

Майже у всіх сполуках рубідію він має кількість окислення +1. Прикладами таких є:

-Рубідій хлорид, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Рубідій гідроксид, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Рубідій карбонат, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Оксид рубідію, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Рубідій супероксид, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Хоча дуже рідкісний, рубідій також може мати негативне число окислення: -1 (Rb ^- ). У цьому випадку можна говорити про "рубідід", якби він утворював сполуку з елементом, менш електронегативним, ніж він, або якщо він піддавався особливим і жорстким умовам.

Скупчення

Є сполуки, де окремо кожен атом Rb представляє числа окислення з дробовими значеннями. Наприклад, у Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) та Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- ) позитивний заряд розподіляється між набором атомів Rb (кластерів). Таким чином, в Rb ₆ O число окислення теоретично було б +1/3; а в Rb ₉ O ₂ + 0,444 (4/9).

Структура кластера Rb9O2. Джерело: Аксіозавр

Зверху - кластерна структура Rb ₉ O _2, представлена ​​моделлю сфер і брусків. Зверніть увагу, як дев'ять атомів Rb "огороджують" O ^2- аніони .

Шляхом з'ясування, це як би частина оригінальних металевих кристалів рубідію залишалася незмінною, поки вони були відокремлені від основного кристала. Вони втрачають електрони в процесі; ті, необхідні для залучення O ^2- , і отриманий позитивний заряд розподіляється між усіма атомами згаданого кластера (безліч або агрегати атомів Rb).

Таким чином, у цих кластерах рубідію існування Rb ⁺ формально не можна припустити . Rb ₆ O і Rb ₉ O ₂ класифікуються як субоксиди рубідію, в яких ця очевидна аномалія надлишку атомів металу по відношенню до оксидних аніонів.

Де знайти та отримати

Земна кора

Зразок мінералу лепідоліту. Джерело: Роб Лавінський, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Рубідій - 23-й найпоширеніший елемент земної кори, з достатністю, порівнянним з металами цинку, свинцю, цезію та міді. Подробиця полягає в тому, що його іони широко розсіяні, тому він не переважає в будь-якому мінералі як основному металевому елементі, а його руд також мало.

Саме з цієї причини рубідій - це дуже дорогий метал, навіть більше, ніж саме золото, оскільки процес його одержання з його руд є складним через труднощі його експлуатації.

У природі, враховуючи свою реакційну здатність, рубідій знаходиться не в рідному стані, а як оксид (Rb ₂ O), хлорид (RbCl) або супроводжується іншими аніонами. Його "вільні" іони Rb ⁺ містяться в морях з концентрацією 125 мкг / л, а також у гарячих джерелах та річках.

Серед мінералів земної кори, які містять її в концентрації менше 1%, ми маємо:

-Леуцита, К

-Полуцит, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Карналіт, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

-Zinnwaldite, KLiFeAl (AlSi ₃ ) O ₁₀ (OH, F) ₂

-Амазоніт, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Петаліт, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Біотит, K (Mg, Fe) ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH, F) ₂

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

-Лепідоліт, K (Li, Al) ₃ (Si, Al) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

Геохімічна асоціація

Усі ці мінерали поділяють одне або дві речі: це силікати калію, цезію або літію або мінеральні солі цих металів.

Це означає, що рубідій має сильну тенденцію до асоціації з калієм та цезієм; Він навіть може замінити калій під час кристалізації мінералів або гірських порід, як це відбувається у покладах пегматитів, коли магма кристалізується. Таким чином, рубідій є побічним продуктом експлуатації та переробки цих гірських порід та їх корисних копалин.

Рубідій також можна зустріти в поширених породах, таких як граніт, глини, базальт і навіть у вуглекислих родовищах. З усіх природних джерел лепідоліт являє собою його основну руду і з якої його використовують на комерційній основі.

У карналіті, з іншого боку, рубідій можна знайти як домішки RbCl з вмістом 0,035%. А в більш високій концентрації є поклади напівцитових і рубіцинових, які можуть містити до 17% рубідію.

Його геохімічна асоціація з калієм пояснюється подібністю їх іонних радіусів; Rb ⁺ більший, ніж K ⁺ , але різниця в розмірах не є перешкодою для того, щоб перші могли замінити останній у своїх мінеральних кристалах.

Фракційна кристалізація

Незалежно від того, починаючи з лепідоліту чи напівциту, або з будь-яким з мінералів, згаданим вище, проблема залишається однаковою у більшій чи меншій мірі: окремий рубідій від калію та цезію; тобто застосовують методи поділу суміші, які дозволяють мати з одного боку сполуки рубідію або солі, а з іншого - солі калію та цезію.

Це складно, оскільки ці іони (K ⁺ , Rb ⁺ і Cs ⁺ ) мають велику хімічну схожість; Вони реагують однаковим чином, утворюючи однакові солі, які майже не відрізняються один від одного завдяки їх щільності та розчинності. Ось чому використовується дробова кристалізація, щоб вони могли кристалізуватися повільно і контрольовано.

Наприклад, ця методика використовується для відділення суміші карбонатів та квасцов від цих металів. Процеси перекристалізації необхідно повторити кілька разів, щоб гарантувати кристали більшої чистоти та без іонів, що спільно осаджуються; сіль рубідію, яка кристалізується з іонами K ⁺ або Cs ⁺ на його поверхні або всередині.

Більш сучасні методи, такі як використання іонообмінної смоли або ефіри крони як комплексоутворювачі, також дозволяють виділяти іони Rb ⁺ .

Електроліз або відновлення

Після того, як рубідієва сіль відокремлена і очищена, наступним і останнім етапом є зменшення катіонів Rb ⁺ до твердого металу. Для цього сіль розплавляють і піддають електролізу, щоб рубідій осаджувався на катоді; або використовується сильний відновник, такий як кальцій і натрій, здатний швидко втрачати електрони і, таким чином, знижувати рубідій.

Ізотопи

Рубідій зустрічається на Землі у вигляді двох природних ізотопів: ⁸⁵ Rb та ⁸⁷ Rb. Перший має достаток 72,17%, а другий - 27,83%.

⁸⁷ Rb несе відповідальність за цей метал будучи радіоактивним; однак його випромінювання нешкідливо і навіть корисно для аналізу датування. Час його періоду напіввиведення (t _1/2 ) становить 4,9 · 10 ¹⁰ років, тривалість якого перевищує вік Всесвіту. Коли він розпадається, він стає стабільним ізотопом ⁸⁷ Mr.

Завдяки цьому цей ізотоп був використаний для датування віку земних мінералів та гірських порід, присутніх від початку Землі.

Окрім ізотопів ⁸⁵ Rb та ⁸⁷ Rb, існують і інші синтетичні та радіоактивні з змінним та значно меншим термінами життя; наприклад, ⁸² Rb (t _1/2 = 76 секунд), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 дня), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 дня) і ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 дня). З усіх них ⁸² Rb є найбільш використовуваним у медичних дослідженнях.

Ризики

Металеві

Рубідій - такий реакційноздатний метал, що його потрібно зберігати в скляних ампулах в інертній атмосфері, щоб він не вступав у реакцію з киснем у повітрі. Якщо блістер зламається, метал можна помістити в гас або мінеральне масло для його захисту; однак воно в кінцевому підсумку буде окислюватися розчиненим у них киснем, спричиняючи перекиси рубідію.

Якщо, з іншого боку, вирішено розмістити його на дереві, наприклад, воно закінчиться горінням фіолетовим полум’ям. Якщо багато вологи, воно буде горіти, лише потрапляючи на повітря. Коли великий об'єм рубідію викидається в об'єм води, він енергійно вибухає, навіть запалюючи виділений газ водню.

Тому рубідій - це метал, з яким не всі повинні впоратися, оскільки практично всі його реакції є вибухонебезпечними.

Іон

На відміну від металевого рубідію, його іони Rb ⁺ не становлять явного ризику для живих істот. Вони, розчинені у воді, взаємодіють з клітинами так само, як це роблять іони К ⁺ .

Тому рубідій та калій мають схожу біохімічну поведінку; однак рубідій не є важливим елементом, тоді як калій. Таким чином помітні кількості Rb ⁺ можуть накопичуватися всередині клітин, еритроцитів та внутрішніх органів без негативного впливу на організм будь-якої тварини.

Фактично, для дорослого чоловіка масою 80 кг, за оцінками, міститься близько 37 мг рубідію; і крім того, збільшення цієї концентрації в порядку від 50 до 100 разів не призводить до небажаних симптомів.

Однак надлишок іонів Rb ⁺ може призвести до витіснення іонів K ⁺ ; і, отже, людина буде страждати дуже сильними м'язовими спазмами до смерті.

Природно, солі рубідію або розчинні сполуки можуть викликати це негайно, тому жодна з них не повинна прийматися всередину. Крім того, він може викликати опіки простим контактом, і серед найбільш токсичних є фторид рубідію (RbF), гідроксид (RbOH) та ціанід (RbCN) рубідію.

Програми

Газовий колектор

Рубідій використовувався для захоплення або видалення слідів газів, які можуть знаходитися у вакуум-герметичних трубах. Саме завдяки високій схильності до захоплення в них кисню та вологи вони виводять їх на свою поверхню як пероксиди.

Піротехніка

Коли солі рубідію горять, вони виділяють характерне червонувато-фіолетове полум'я. Деякі феєрверки мають у своєму складі ці солі, щоб вони вибухали цими кольорами.

Добавка

Рубідій хлорид був призначений для боротьби з депресією, оскільки дослідження визначали дефіцит цього елемента у осіб, які страждають на це захворювання. Він також застосовується як заспокійливий засіб і для лікування епілепсії.

Конденсат Бозе-Ейнштейна

Атоми ізотопу ⁸⁷ Rb були використані для створення першого конденсату Бозе-Ейнштейна. Цей стан речовини полягає в тому, що атоми при температурі, досить близькій до абсолютного нуля (0 К), групуються або "конденсуються", ведучи себе так, ніби вони були одним.

Таким чином, рубідій був головним героєм цього тріумфу в галузі фізики, і саме Ерік Корнелл, Карл Віман і Вольфганг Кеттерле отримали Нобелівську премію в 2001 році завдяки цій роботі.

Діагностика пухлин

Синтетичний радіоізотоп ⁸² Rb розпадається, випромінюючи позитрони, які використовуються для накопичення в тканинах, багатих калієм; такі, які розташовані в мозку чи серці. Тому використовується для аналізу функціональності серця та наявності можливих пухлин у мозку за допомогою позитронно-емісійної томографії.

Компонент

Іони рубідію знайшли місце в різних видах матеріалів або сумішей. Наприклад, його сплави виготовлені із золотом, цезієм, ртуттю, натрієм та калієм. Він доданий у келихи та кераміку, ймовірно, для підвищення температури їх плавлення.

У сонячні клітини перовскіти додаються як важливий компонент. Також вивчено можливе його використання як термоелектричного генератора, теплообмінного матеріалу в просторі, палива в іонних двигунах, електролітичного середовища для лужних акумуляторів та в атомних магнітометрах.

Атомні годинники

З рубідію та цезію були виготовлені знамениті, високоточні атомні годинники, які використовуються, наприклад, у супутниках GPS, за допомогою яких власники їхніх смартфонів можуть знати їх місцезнаходження під час руху по дорозі.

Список літератури

1. Бонд Том. (29 жовтня 2008 р.). Рубідій. Відновлено з: chemistryworld.com
2. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
3. Вікіпедія. (2019). Рубідій. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Національний центр інформації про біотехнології. (2019). Рубідій. PubChem База даних. CID = 5357696. Відновлено з: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Елементи життя та ліки. Філософські угоди. Серія A, Математичні, фізичні та технічні науки, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Фонд Майо для медичної освіти та досліджень. (2019). Рубідій Rb 82 (внутрішньовенний шлях). Відновлено з: mayoclinic.org
7. Маркес Мігель. (sf). Рубідій. Відновлено з: nautilus.fis.uc.pt
8. Джеймс Л. Барв. (12 квітня 2019 р.). Рубідій. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факти рубідієвих елементів. Хіміколь. Відновлено з: chemicool.com
10. Майкл Пільгард. (10 травня 2017 р.). Хімічні реакції рубідію. Відновлено з: pilgaardelements.com