Рубидий — химический элемент ; он имеет символ Rb и атомный номер 37. Это очень мягкое беловато-серое твердое вещество из группы щелочных металлов , похожее на калий и цезий . [8] Рубидий — первый щелочной металл в группе, плотность которого превышает плотность воды . На Земле природный рубидий состоит из двух изотопов : 72% — стабильный изотоп 85 Rb и 28% — слаборадиоактивный 87 Rb с периодом полураспада 48,8 миллиардов лет, что более чем в три раза превышает предполагаемый возраст Вселенной. .
Немецкие химики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли рубидий в 1861 году с помощью недавно разработанного метода пламенной спектроскопии . Название происходит от латинского слова Rubidus , что означает темно-красный цвет спектра излучения. Соединения рубидия имеют различные химические и электронные применения. Металлический рубидий легко испаряется и имеет удобный спектральный диапазон поглощения, что делает его частой мишенью для лазерных манипуляций с атомами . Рубидий не является известным питательным веществом для живых организмов . Однако ионы рубидия имеют аналогичные свойства и тот же заряд, что и ионы калия, и активно поглощаются и обрабатываются клетками животных аналогичным образом.
Рубидий — очень мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета. [9] Это второй по электроположительности из стабильных щелочных металлов, он плавится при температуре 39,3 ° C (102,7 ° F). Как и другие щелочные металлы, металлический рубидий бурно реагирует с водой. Как и в случае с калием (который немного менее реакционноспособен) и цезием (который немного более реакционноспособен), эта реакция обычно достаточно энергична, чтобы воспламенить образующийся в результате нее газообразный водород. Сообщалось также, что рубидий самопроизвольно воспламеняется на воздухе. [9] Он образует амальгамы с ртутью и сплавы с золотом , железом , цезием , натрием и калием , но не с литием (хотя рубидий и литий находятся в одной группе). [10]
Рубидий имеет очень низкую энергию ионизации — всего 406 кДж/моль. [11] Рубидий и калий показывают очень похожий фиолетовый цвет в тесте на пламя , и различение этих двух элементов требует более сложного анализа, такого как спектроскопия. [ нужна цитата ]
Хлорид рубидия (RbCl), вероятно, является наиболее используемым соединением рубидия: среди нескольких других хлоридов он используется, чтобы побудить живые клетки поглощать ДНК ; он также используется в качестве биомаркера, поскольку в природе он встречается в живых организмах лишь в небольших количествах и, если присутствует, заменяет калий. Другими распространенными соединениями рубидия являются коррозионный гидроксид рубидия (RbOH), исходный материал для большинства химических процессов на основе рубидия; карбонат рубидия (Rb 2 CO 3 ), используемый в некоторых оптических стеклах, и сульфат меди рубидия, Rb 2 SO 4 ·CuSO 4 ·6H 2 O. Иодид рубидия-серебра (RbAg 4 I 5 ) имеет самую высокую проводимость при комнатной температуре из всех известных ионный кристалл — свойство, используемое в тонкопленочных батареях и других приложениях. [12] [13]
Рубидий при воздействии воздуха образует ряд оксидов , в том числе монооксид рубидия (Rb 2 O), Rb 6 O и Rb 9 O 2 ; рубидий в избытке кислорода дает супероксид RbO 2 . Рубидий образует соли с галогенами, образуя фторид рубидия , хлорид рубидия , бромид рубидия и йодид рубидия . [14]
Хотя рубидий моноизотопен , рубидий в земной коре состоит из двух изотопов: стабильного 85 Rb (72,2%) и радиоактивного 87 Rb (27,8%). [15] Природный рубидий радиоактивен, его удельная активность составляет около 670 Бк /г, чего достаточно для значительного экспонирования фотопленки за 110 дней. [16] [17] Тридцать дополнительных изотопов рубидия были синтезированы с периодом полураспада менее 3 месяцев; большинство из них очень радиоактивны и имеют мало применений. [18]
Рубидий-87 имеет период полураспада48,8 × 10 9 лет, что более чем в три раза превышает возраст Вселенной .(13,799 ± 0,021) × 10 9 лет, что [19] делает его первичным нуклидом . Он легко заменяет калий в минералах и поэтому довольно широко распространен. Rb широко использовался при датировании горных пород ; 87 Rb бета распадается на стабильный 87 Sr. Во время фракционной кристаллизации Sr имеет тенденцию концентрироваться в плагиоклазе , оставляя Rb в жидкой фазе. Следовательно, соотношение Rb/Sr в остаточной магме может увеличиваться с течением времени, а прогрессирующая дифференциация приводит к образованию пород с повышенным соотношением Rb/Sr. Самые высокие показатели (10 и более) наблюдаются в пегматитах . Если исходное количество Sr известно или может быть экстраполировано, то возраст можно определить путем измерения концентраций Rb и Sr, а также соотношения 87 Sr/ 86 Sr. Даты указывают на истинный возраст минералов только в том случае, если породы впоследствии не подвергались изменениям (см. рубидиево-стронциевое датирование ). [20] [21]
Рубидий-82 , один из неприродных изотопов этого элемента, производится путем электронного захвата распада стронция-82 с периодом полураспада 25,36 дней. Рубидий-82 с периодом полураспада 76 секунд распадается путем испускания позитронов до стабильного криптона-82 . [15]
Рубидий — двадцать третий по распространенности элемент в земной коре , примерно такой же распространенный, как цинк , и гораздо более распространенный, чем медь . [22] В природе он встречается в минералах лейците , поллуците , карналлите и циннвальдите , которые содержат до 1% оксида рубидия . Лепидолит содержит от 0,3% до 3,5% рубидия и является коммерческим источником этого элемента. [23] Некоторые минералы калия и хлориды калия также содержат этот элемент в коммерчески значимых количествах. [24]
Морская вода содержит в среднем 125 мкг/л рубидия по сравнению с гораздо более высоким значением калия (408 мг/л) и гораздо меньшим значением 0,3 мкг/л цезия. [25] Рубидий является 18-м по распространенности элементом в морской воде. [26]
Из-за большого ионного радиуса рубидий относится к числу « несовместимых элементов ». [27] Во время кристаллизации магмы рубидий концентрируется вместе со своим более тяжелым аналогом цезием в жидкой фазе и кристаллизуется последним. Поэтому крупнейшими месторождениями рубидия и цезия являются зональные пегматитовые рудные тела, образовавшиеся в результате этого процесса обогащения. Поскольку рубидий заменяет калий при кристаллизации магмы, обогащение гораздо менее эффективно, чем обогащение цезием. Зональные пегматитовые рудные тела, содержащие полезные для добычи количества цезия в виде поллуцита или литиевых минералов лепидолита , также являются источником рубидия в качестве побочного продукта. [22]
Двумя известными источниками рубидия являются богатые месторождения поллуцита на озере Берник , Манитоба , Канада, и рубиклин ((Rb,K)AlSi 3 O 8 ) , обнаруженный в качестве примеси в поллуците на итальянском острове Эльба , с содержанием рубидия 17,5%. [28] Оба этих месторождения также являются источниками цезия. [ нужна цитата ]
Хотя рубидий более распространен в земной коре, чем цезий, ограниченное применение и отсутствие минерала, богатого рубидием, ограничивают производство соединений рубидия до 2–4 тонн в год. [22] Существует несколько методов разделения калия, рубидия и цезия. Фракционная кристаллизация рубидиево-цезиевых квасцов (Cs,Rb)Al(SO 4 ) 2 ·12H 2 O после 30 последующих стадий дает чистые рубидиевые квасцы. Сообщается о двух других методах: хлорстаннатном процессе и ферроцианидном процессе. [22] [29]
В течение нескольких лет в 1950-х и 1960-х годах основным источником рубидия был побочный продукт производства калия под названием Алкарб. Алкарб содержал 21% рубидия, остальное — калий и небольшое количество цезия. [30] Сегодня крупнейшие производители цезия производят рубидий как побочный продукт поллуцита. [22]
Рубидий был открыт в 1861 году Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом в Гейдельберге, Германия, в минерале лепидолите посредством пламенной спектроскопии . Из-за ярко-красных линий в его спектре излучения они выбрали название, происходящее от латинского слова Rubidus , что означает «темно-красный». [31] [32]
Рубидий является второстепенным компонентом лепидолита . Кирхгоф и Бунзен переработали 150 кг лепидолита, содержащего всего 0,24% монооксида рубидия (Rb 2 O). И калий, и рубидий образуют нерастворимые соли с платинохлористоводородной кислотой , но растворимость этих солей в горячей воде немного различается. Следовательно, менее растворимый гексахлорплатинат рубидия (Rb 2 PtCl 6 ) можно получить фракционной кристаллизацией . После восстановления гексахлорплатината водородом в результате получено 0,51 г хлорида рубидия (RbCl) для дальнейших исследований. Бунзен и Кирхгоф начали свое первое крупномасштабное выделение соединений цезия и рубидия с помощью 44 000 литров (12 000 галлонов США) минеральной воды, в результате чего было получено 7,3 грамма хлорида цезия и 9,2 грамма хлорида рубидия . [31] [32] Рубидий был вторым элементом, вскоре после цезия, который был открыт с помощью спектроскопии, всего через год после изобретения спектроскопа Бунзеном и Кирхгофом. [33]
Двое ученых использовали хлорид рубидия, чтобы оценить, что атомный вес нового элемента составил 85,36 (принятое в настоящее время значение — 85,47). [31] Они попытались получить элементарный рубидий электролизом расплавленного хлорида рубидия, но вместо металла получили синее однородное вещество, которое «ни невооруженным глазом, ни под микроскопом не показало ни малейшего следа металлического вещества». Они предположили, что это субхлорид ( Rb
2кл ); однако продукт, вероятно, представлял собой коллоидную смесь металла и хлорида рубидия. [34] Во второй попытке получить металлический рубидий Бунзену удалось восстановить рубидий путем нагревания обугленного тартрата рубидия . Хотя перегнанный рубидий был пирофорным , им удалось определить плотность и температуру плавления. О качестве этих исследований 1860-х годов можно судить по тому, что их определенная плотность отличается менее чем на 0,1 г/см 3 и температура плавления менее чем на 1 °С от принятых сейчас значений. [35]
Незначительная радиоактивность рубидия была обнаружена в 1908 году, но это было до того, как в 1910 году была создана теория изотопов, а низкий уровень активности (период полураспада более 10–10 лет ) затруднял интерпретацию. Доказанный теперь распад 87 Rb до стабильного 87 Sr посредством бета-распада все еще обсуждался в конце 1940-х годов. [36] [37]
До 1920-х годов рубидий имел минимальную промышленную ценность. [38] С тех пор наиболее важным применением рубидия являются исследования и разработки, в первую очередь в химической и электронной промышленности. В 1995 году рубидий-87 был использован для получения конденсата Бозе-Эйнштейна , [39] за который первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл , Карл Эдвин Виман и Вольфганг Кеттерле получили Нобелевскую премию по физике 2001 года . [40]
Соединения рубидия иногда используются в фейерверках , чтобы придать им фиолетовый цвет. [41] Рубидий также рассматривался для использования в термоэлектрическом генераторе, использующем магнитогидродинамический принцип, при котором горячие ионы рубидия пропускаются через магнитное поле . [42] Они проводят электричество и действуют как якорь генератора, тем самым генерируя электрический ток . Рубидий, особенно испаренный 87 Rb, является одним из наиболее часто используемых видов атомов, используемых для лазерного охлаждения и конденсации Бозе-Эйнштейна . Его желательные особенности для этого применения включают в себя доступность недорогого диодного лазерного света соответствующей длины волны и умеренные температуры, необходимые для получения значительного давления пара. [43] [44] Для применений с холодными атомами, требующих настраиваемых взаимодействий, 85 Rb предпочтителен из-за его богатого спектра Фешбаха . [45]
Рубидий использовался для поляризации 3 He , создавая объемы намагниченного газа 3 He с ядерными спинами, выровненными, а не случайными. Пары рубидия подвергаются оптической накачке лазером, и поляризованный Rb поляризует 3 He за счет сверхтонкого взаимодействия. [46] Такие спин-поляризованные 3 He-ячейки полезны для измерения поляризации нейтронов и для создания пучков поляризованных нейтронов для других целей. [47]
Резонансный элемент атомных часов использует сверхтонкую структуру энергетических уровней рубидия, а рубидий полезен для высокоточного измерения времени. Он используется в качестве основного компонента вторичных опорных частот (рубидиевых генераторов) в передатчиках сотовых станций и другом электронном передающем, сетевом и испытательном оборудовании. Эти рубидиевые стандарты часто используются с GNSS для создания «первичного стандарта частоты», который имеет большую точность и дешевле, чем цезиевые стандарты. [48] [49] Такие рубидиевые стандарты часто производятся серийно для телекоммуникационной отрасли. [50]
Другие потенциальные или текущие применения рубидия включают в себя рабочую жидкость в паровых турбинах, в качестве газопоглотителя в вакуумных трубках и в качестве компонента фотоэлемента . [51] Рубидий также используется в качестве ингредиента в специальных типах стекла, при производстве супероксида путем сжигания в кислороде , при исследовании каналов ионов калия в биологии и в качестве пара в атомных магнитометрах . [52] В частности, 87 Rb используется вместе с другими щелочными металлами при разработке магнитометров без спин-обменной релаксации (SERF) . [52]
Рубидий-82 используется для позитронно-эмиссионной томографии . Рубидий очень похож на калий, и ткани с высоким содержанием калия также накапливают радиоактивный рубидий. Одним из основных применений является визуализация перфузии миокарда . В результате изменений гематоэнцефалического барьера при опухолях головного мозга рубидий накапливается в опухолях головного мозга больше, чем в нормальной ткани головного мозга, что позволяет использовать радиоизотоп рубидий-82 в ядерной медицине для обнаружения и визуализации опухолей головного мозга. [53] Рубидий-82 имеет очень короткий период полураспада — 76 секунд, и производство стронция-82 в результате распада должно осуществляться вблизи пациента. [54]
Рубидий проверяли на влияние на маниакальную депрессию и депрессию. [55] [56] У пациентов, находящихся на диализе, страдающих депрессией, наблюдается истощение рубидия, и поэтому добавки могут помочь во время депрессии. [57] В некоторых испытаниях рубидий вводили в виде хлорида рубидия в дозе до 720 мг в день в течение 60 дней. [58] [59]
Рубидий бурно реагирует с водой и может вызвать пожар. Для обеспечения безопасности и чистоты этот металл обычно хранят под сухим минеральным маслом или запаивают в стеклянные ампулы в инертной атмосфере. Рубидий образует пероксиды при воздействии даже небольшого количества воздуха, диффундирующего в масло, и при хранении применяются те же меры предосторожности, что и при хранении металлического калия . [61]
Рубидий, как натрий и калий, почти всегда имеет степень окисления +1 при растворении в воде, даже в биологическом контексте. Организм человека склонен относиться к ионам Rb + так, как если бы они были ионами калия, и поэтому рубидий концентрируется во внутриклеточной жидкости организма (т. е. внутри клеток). [62] Ионы не особенно токсичны; человек массой 70 кг содержит в среднем 0,36 г рубидия, и увеличение этого значения в 50–100 раз не выявило у испытуемых отрицательных эффектов. [63] Биологический период полураспада рубидия в организме человека составляет 31–46 дней. [55] Хотя частичное замещение калия рубидием возможно, но когда более 50% калия в мышечной ткани крыс было заменено рубидием, крысы погибали. [64] [65]