РУБИДИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧЕНИЕ, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Рубидия представляет собой металлический элемент , принадлежащий к группе 1 периодической таблицы: щелочной металл, представлены химическим символом Rb. Его название похоже на рубин, потому что, когда он был обнаружен, в его спектре излучения были характерные линии темно-красного цвета.

Это один из самых реактивных существующих металлов. Это первый из щелочных металлов, который, несмотря на свою небольшую плотность, тонет в воде. Также он реагирует с ним более взрывоопасно по сравнению с литием, натрием и калием. Были эксперименты, в которых пузыри лопаются там, где они хранятся (нижнее изображение), чтобы упасть и взорваться в ванной.

Ампула с одним граммом рубидия хранится в инертной атмосфере. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Рубидий отличается тем, что он более дорогой металл, чем само золото; не столько из-за его редкости, сколько из-за его широкого минералогического распространения в земной коре и трудностей, возникающих при его выделении от соединений калия и цезия.

Он демонстрирует явную тенденцию ассоциироваться с калием в своих минералах, обнаруженных в виде примесей. Не только в геохимических вопросах он образует дуэт с калием, но и в области биохимии.

Организм «ошибочно принимает» ионы K ⁺ за ионы Rb ⁺ ; однако рубидий на сегодняшний день не является важным элементом, поскольку его роль в метаболизме неизвестна. Тем не менее, добавки с рубидием использовались для облегчения определенных заболеваний, таких как депрессия и эпилепсия. С другой стороны, оба иона испускают фиолетовое пламя в тепле зажигалки.

Из-за его высокой стоимости его применение не слишком основано на синтезе катализаторов или материалов, а в качестве компонента для различных устройств с теоретической физической базой. Одно из них - атомные часы, солнечные батареи и магнитометры. Вот почему рубидий иногда считают недооцененным или малоизученным металлом.

История

Рубидий был открыт в 1861 году немецкими химиками Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом с помощью спектроскопии. Для этого они использовали горелку Бунзена и спектроскоп, изобретенные двумя годами ранее, а также аналитические методы осаждения. Их объектом исследования стал минерал лепидолит, образец которого был собран в Саксонии, Германия.

Они начали со 150 кг лепидолитового минерала, который они обработали платинохлористоводородной кислотой H ₂ PtCl ₆ , чтобы осадить гексахлороплатинат калия, K ₂ PtCl ₆ . Однако, когда они изучили его спектр, сжигая его в горелке Бунзена, они поняли, что он показывает линии излучения, которые не совпадали с каким-либо другим элементом в то время.

Спектр излучения этого нового элемента характеризуется двумя четко выраженными линиями в красной области. Вот почему они окрестили его именем «rubidus», что означает «темно-красный». Позже Бунзену и Кирхгофу удалось отделить Rb ₂ PtCl ₆ от K ₂ PtCl ₆ путем фракционной кристаллизации; чтобы окончательно восстановить его до хлоридной соли с помощью водорода.

Идентифицировав и выделив соль нового элемента рубидия, немецким химикам оставалось только восстановить ее до металлического состояния. Достичь этого они пытались двумя способами: применяя электролиз хлорида рубидия или нагревая соль, которую легче восстановить, например, ее тартрат. Так родился металлический рубидий.

Физические и химические свойства

Внешность

Мягкий серебристо-серый металл. Он такой гладкий, что похож на масло. Обычно он расфасован в стеклянные ампулы, внутри которых преобладает инертная атмосфера, защищающая его от реакции с воздухом.

Атомный номер (Z)

37

Молярная масса

85,4678 г / моль

Температура плавления

39 ºC

Точка кипения

688 ºC

плотность

При комнатной температуре: 1,532 г / см ³

При температуре плавления: 1,46 г / см ^3.

Плотность рубидия выше, чем у воды, поэтому он будет тонуть, бурно реагируя с ним.

Теплота плавления

2,19 кДж / моль

Теплота испарения

69 кДж / моль

Электроотрицательность

0,82 по шкале Полинга

Электронная близость

46,9 кДж / моль

Энергии ионизации

-Первый: 403 кДж / моль (Rb ⁺ газообразный)

-Второй: 2632,1 кДж / моль ( газообразный Rb ²⁺ )

-Третий: 3859,4 кДж / моль ( газообразный Rb ³⁺ )

Атомное радио

248 часов (эмпирический)

Теплопроводность

58,2 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

128 нОм · м в 20 ° C

Твердость по Моосу

0,3. Следовательно, даже тальк тверже металлического рубидия.

Реактивность

Испытание пламенем на рубидий. Когда он реагирует, он испускает фиолетовое пламя. Источник: Didaktische.Medien

Рубидий - один из самых реактивных щелочных металлов после цезия и франция. Как только он попадает на воздух, он начинает гореть, а при ударе стреляет легкими искрами. При нагревании он также излучает фиолетовое пламя (верхнее изображение), что является положительным тестом на ионы Rb ⁺ .

Он реагирует с кислородом с образованием смеси пероксидов (Rb ₂ O ₂ ) и супероксидов (RbO ₂ ). Хотя он не реагирует с кислотами и основаниями, он бурно реагирует с водой, образуя гидроксид рубидия и газообразный водород:

Rb (т) + H ₂ O (l) => RbOH (водн.) + H ₂ (г)

Реагирует с водородом с образованием соответствующего гидрида:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

А также с галогенами и серой взрывоопасно:

2Rb (т) + Cl ₂ (г) => RbCl (т)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Хотя рубидий не считается токсичным элементом, он потенциально опасен и создает опасность возгорания при контакте с водой и кислородом.

Структура и электронная конфигурация

Атомы рубидия расположены таким упорядоченным образом, что образуют кристалл с объемно-центрированной кубической структурой (bcc, от его аббревиатуры на английском языке body-center cubic). Такая структура характерна для щелочных металлов, которые легки и имеют свойство плавать в воде; кроме рубидиевого пуха (цезий и франций).

В кристаллах ОЦК рубидия их атомы Rb взаимодействуют друг с другом благодаря металлической связи. Это регулируется «морем электронов» из его валентной оболочки, с орбитали 5s в соответствии с его электронной конфигурацией:

5с ¹

Все 5s-орбитали с их одноэлектронными перекрытиями во всех измерениях металлических кристаллов рубидия. Однако эти взаимодействия слабые, так как по мере продвижения вниз по группе щелочного металла орбитали становятся более диффузными и, следовательно, металлическая связь ослабевает.

Вот почему температура плавления рубидия составляет 39ºC. Точно так же его слабая металлическая связь объясняет мягкость его твердого тела; так мягко, что похоже на серебряное масло.

Недостаточно библиографических сведений о поведении его кристаллов под высоким давлением; если есть более плотные фазы с уникальными свойствами, например натрий.

Числа окисления

Его электронная конфигурация сразу указывает на то, что рубидий сильно склонен терять свой единственный электрон, чтобы стать изоэлектронным благородному газу криптону. Когда это происходит, образуется одновалентный катион Rb ⁺ . Затем говорят, что в своих соединениях он имеет степень окисления +1, когда предполагается существование этого катиона.

Из-за тенденции рубидия к окислению предположение, что ионы Rb ⁺ существуют в его соединениях, является правильным, что, в свою очередь, указывает на ионный характер этих соединений.

Почти во всех соединениях рубидия он имеет степень окисления +1. Примеры из них следующие:

-Хлорид рубидия, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Гидроксид рубидия, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Карбонат рубидия, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Моноксид рубидия, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Пероксид рубидия, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Хотя это очень редко, рубидий может иметь отрицательную степень окисления: -1 (Rb ^- ). В этом случае можно было бы говорить о «рубидиде», если бы он образовал соединение с элементом, менее электроотрицательным, чем он, или если бы он был подвергнут особым и строгим условиям.

Кластеры

Существуют соединения, в которых каждый атом Rb представляет степень окисления с дробными значениями. Например, в Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) и Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- ) положительный заряд распределен между набором атомов (кластеров) Rb. Таким образом, в Rb ₆ O степень окисления теоретически будет +1/3; а в Rb ₉ O ₂ + 0,444 (4/9).

Кластерная структура Rb9O2. Источник: Axiosaurus

Выше представлена ​​кластерная структура Rb ₉ O _2, представленная моделью сфер и столбиков. Обратите внимание, как девять атомов Rb «окружают» анионы O ^2- .

Посредством элюкубации, как будто часть исходных металлических кристаллов рубидия осталась неизменной, пока они были отделены от материнского кристалла. Они теряют электроны в процессе; необходимые для притяжения O ^2- , и результирующий положительный заряд распределяется между всеми атомами указанного кластера (набора или совокупностей атомов Rb).

Таким образом, в этих кластерах рубидия нельзя формально предположить существование Rb ⁺ . Rb ₆ O и Rb ₉ O ₂ классифицируются как субоксиды рубидия, в которых выполняется эта очевидная аномалия наличия избытка атомов металла по сравнению с оксидными анионами.

Где найти и получить

земная кора

Образец минерала лепидолит. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Рубидий - 23-й элемент земной коры по распространенности, сравнимый по содержанию с такими металлами, как цинк, свинец, цезий и медь. Дело в том, что его ионы широко распространены, поэтому он не преобладает ни в одном минерале в качестве основного металлического элемента, а его руды также редки.

По этой причине рубидий является очень дорогим металлом, даже более дорогим, чем само золото, поскольку процесс его получения из руд сложен из-за сложности его эксплуатации.

В природе, учитывая его реакционную способность, рубидий находится не в его естественном состоянии, а в виде оксида (Rb ₂ O), хлорида (RbCl) или вместе с другими анионами. Его «свободные» ионы Rb ⁺ находятся в морях с концентрацией 125 мкг / л, а также в горячих источниках и реках.

Среди минералов земной коры, содержащих его в концентрации менее 1%, мы имеем:

-Leucita, K

-Полюцит, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Карналит, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

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

-Амазонит, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Петалит, LiAlSi ₄ O ₁₀

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

-Рубиклин, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Геохимическая ассоциация

Все эти минералы имеют одну или две общие черты: это силикаты калия, цезия или лития или минеральные соли этих металлов.

Это означает, что рубидий имеет сильную тенденцию связываться с калием и цезием; Он может даже заменять калий во время кристаллизации минералов или горных пород, как это происходит в отложениях пегматитов при кристаллизации магмы. Таким образом, рубидий является побочным продуктом разработки и переработки этих пород и их минералов.

Рубидий также можно найти в обычных породах, таких как гранит, глина и базальт, и даже в каменноугольных отложениях. Из всех природных источников лепидолит представляет собой основную руду, из которой он добывается в промышленных масштабах.

В карналите же рубидий можно найти в виде примеси RbCl с содержанием 0,035%. А в более высоких концентрациях встречаются месторождения полуцита и рубиклина, в которых может быть до 17% рубидия.

Его геохимическая ассоциация с калием обусловлена ​​сходством их ионных радиусов; Rb ⁺ больше, чем K ⁺ , но разница в размерах не является препятствием для того, чтобы первый мог заменить последний в своих минеральных кристаллах.

Фракционная кристаллизация

Независимо от того, начинаете ли вы с лепидолита или полуцита, или с любого из упомянутых выше минералов, проблема остается той же в большей или меньшей степени: отделить рубидий от калия и цезия; то есть применять методы разделения смесей, которые позволяют иметь соединения или соли рубидия, с одной стороны, и соли калия и цезия, с другой.

Это сложно, поскольку эти ионы (K ⁺ , Rb ⁺ и Cs ⁺ ) имеют большое химическое сходство; Они реагируют одинаково, образуя одни и те же соли, которые практически не отличаются друг от друга благодаря своей плотности и растворимости. Вот почему используется фракционная кристаллизация, чтобы они могли кристаллизоваться медленно и контролируемым образом.

Например, этот метод используется для отделения смеси карбонатов и квасцов от этих металлов. Процессы перекристаллизации необходимо повторять несколько раз, чтобы гарантировать кристаллы большей чистоты и отсутствие соосажденных ионов; соль рубидия, которая кристаллизуется с ионами K ⁺ или Cs ⁺ на своей поверхности или внутри.

Более современные методы, такие как использование ионообменной смолы или краун-эфиров в качестве комплексообразователей, также позволяют изолировать ионы Rb ⁺ .

Электролиз или восстановление

После отделения и очистки соли рубидия следующим и последним шагом является восстановление катионов Rb ⁺ до твердого металла. Для этого соль плавится и подвергается электролизу, так что рубидий осаждается на катоде; или используется сильный восстанавливающий агент, такой как кальций и натрий, способные быстро терять электроны и, таким образом, восстанавливать рубидий.

Изотопы

Рубидий встречается на Земле в виде двух природных изотопов: ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb. Первый имеет распространенность 72,17%, а второй - 27,83%.

⁸⁷ Rb несет ответственность за этот металл будучи радиоактивным; однако его излучение безвредно и даже полезно для анализа датировки. Его период полураспада (t _1/2 ) составляет 4,9 · 10 ¹⁰ лет, что превышает возраст Вселенной. Когда он распадается, он становится стабильным изотопом ⁸⁷ Mr.

Благодаря этому, этот изотоп был использован для определения возраста минералов и горных пород земли, присутствующих с момента появления Земли.

Помимо изотопов ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb, существуют другие синтетические и радиоактивные изотопы с переменным и гораздо более коротким временем жизни; например, ⁸² рубля (t _1/2 = 76 секунд), ⁸³ рубля (t _1/2 = 86,2 дня), ⁸⁴ рубля (t _1/2 = 32,9 дня) и ⁸⁶ рублей (t _{1 / 2} = 18,7 дней). Из них ⁸² руб. - самый используемый в медицинских исследованиях.

риски

металл

Рубидий - такой реактивный металл, что его необходимо хранить в стеклянных ампулах в инертной атмосфере, чтобы он не вступал в реакцию с кислородом воздуха. Если блистер треснет, металл можно положить в керосин или минеральное масло, чтобы защитить его; однако в конечном итоге он окисляется растворенным в них кислородом, что приводит к образованию пероксидов рубидия.

Если же, например, решено положить его на дерево, он загорится фиолетовым пламенем. Если будет много влаги, он загорится, просто будучи на воздухе. Когда большой кусок рубидия брошен в объем воды, он сильно взрывается, даже воспламеняя образовавшийся водород.

Следовательно, рубидий - это металл, с которым не всем следует обращаться, поскольку практически все его реакции являются взрывоопасными.

ион

В отличие от металлического рубидия, его ионы Rb ⁺ не представляют очевидной опасности для живых существ. Они, растворенные в воде, взаимодействуют с клетками так же, как ионы K ⁺ .

Следовательно, рубидий и калий имеют схожее биохимическое поведение; однако рубидий не является важным элементом, в отличие от калия. Таким образом, значительное количество Rb ⁺ может накапливаться внутри клеток, красных кровяных телец и внутренних органов, не оказывая отрицательного воздействия на организм любого животного.

Фактически, по оценкам, взрослый самец с массой 80 кг содержит около 37 мг рубидия; и, кроме того, увеличение этой концентрации от 50 до 100 раз не приводит к нежелательным симптомам.

Однако избыток ионов Rb ⁺ может привести к вытеснению ионов K ⁺ ; и, следовательно, человек будет страдать от очень сильных мышечных спазмов до самой смерти.

Естественно, соли рубидия или растворимые соединения могут вызвать это немедленно, поэтому ни один из них не должен попадать внутрь. Кроме того, он может вызвать ожоги при простом контакте, а среди наиболее токсичных - фторид рубидия (RbF), гидроксид (RbOH) и цианид (RbCN) рубидия.

Приложения

Газовый коллектор

Рубидий использовался для улавливания или удаления следов газов, которые могут находиться в запаянных трубках. Именно из-за высокой склонности к улавливанию в них кислорода и влаги они удаляют их на своей поверхности в виде пероксидов.

Пиротехника

Когда соли рубидия горят, они излучают характерное красновато-фиолетовое пламя. Некоторые фейерверки содержат эти соли, поэтому они взрываются этими цветами.

дополнение

Хлорид рубидия был прописан для борьбы с депрессией, так как исследования выявили дефицит этого элемента у людей, страдающих этим заболеванием. Он также использовался как успокаивающее средство и для лечения эпилепсии.

Конденсат Бозе-Эйнштейна

Атомы изотопа ⁸⁷ Rb были использованы для создания первого конденсата Бозе-Эйнштейна. Это состояние материи состоит в том, что атомы при температуре, довольно близкой к абсолютному нулю (0 К), группируются или «конденсируются», ведя себя так, как если бы они были одним целым.

Таким образом, рубидий стал главным героем этого триумфа в области физики, и именно Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили Нобелевскую премию в 2001 году благодаря этой работе.

Диагностика опухоли

Синтетический радиоизотоп ⁸² Rb распадается с испусканием позитронов, которые накапливаются в тканях, богатых калием; например, те, что расположены в головном мозге или сердце. Поэтому он используется для анализа функциональности сердца и наличия возможных опухолей в головном мозге с помощью позитронно-эмиссионной томографии.

Составная часть

Ионы рубидия нашли свое место в различных типах материалов или смесей. Например, его сплавы были сделаны с золотом, цезием, ртутью, натрием и калием. Его добавляли в стекло и керамику, вероятно, для повышения их температуры плавления.

В солнечные батареи перовскиты были добавлены в качестве важного компонента. Аналогичным образом было изучено его возможное использование в качестве термоэлектрического генератора, теплопередающего материала в космосе, топлива в ионных двигательных установках, электролитической среды для щелочных батарей и атомных магнитометров.

Атомные часы

Из рубидия и цезия были созданы знаменитые высокоточные атомные часы, которые используются, например, в спутниках GPS, с помощью которых владельцы своих смартфонов могут узнать свое местоположение во время движения по дороге.

Ссылки

1. Бонд Том. (29 октября 2008 г.). Рубидий. Получено с: chemistryworld.com
2. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
3. Wikipedia. (2019). Рубидий. Получено с: en.wikipedia.org
4. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Рубидий. База данных PubChem. CID = 5357696. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Челлан, П., и Сэдлер, П.Дж. (2015). Элементы жизни и лекарства. Философские труды. Серия A, Математические, физические и технические науки, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Фонд Мэйо медицинского образования и исследований. (2019). Рубидий Rb 82 (внутривенное введение). Получено с: mayoclinic.org
7. Маркес Мигель. (SF). Рубидий. Получено с: nautilus.fis.uc.pt
8. Джеймс Л. Дай. (12 апреля 2019 г.). Рубидий. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
9. Доктор Дуг Стюарт. (2019). Факты об элементе рубидий. Chemicool. Получено с: chemicool.com
10. Майкл Пилгаард. (10 мая 2017 г.). Рубидиевые химические реакции. Получено с: pilgaardelements.com