Рубидий — химический элемент ; он имеет символ Rb и атомный номер 37. Это очень мягкое, беловато-серое твердое вещество в группе щелочных металлов , похожее на калий и цезий . [8] Рубидий — первый щелочной металл в группе, плотность которого выше, чем у воды . На Земле природный рубидий состоит из двух изотопа : 72% — это стабильный изотоп 85 Rb, а 28% — слегка радиоактивный 87 Rb, с периодом полураспада 48,8 миллиарда лет — более чем в три раза больше предполагаемого возраста Вселенной .
Немецкие химики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф открыли рубидий в 1861 году с помощью недавно разработанной техники — пламенной спектроскопии . Название происходит от латинского слова rubidus , что означает «тёмно-красный», цвет его спектра излучения. Соединения рубидия имеют различные химические и электронные применения. Металлический рубидий легко испаряется и имеет удобный спектральный диапазон поглощения, что делает его частой целью для лазерной манипуляции атомами . [9] Рубидий не является известным питательным веществом для каких-либо живых организмов . Однако ионы рубидия обладают схожими свойствами и тем же зарядом, что и ионы калия, и активно поглощаются и обрабатываются животными клетками аналогичным образом.
Рубидий — очень мягкий, пластичный , серебристо-белый металл. [10] Он имеет температуру плавления 39,3 °C (102,7 °F) и температуру кипения 688 °C (1270 °F). [11] Он образует амальгамы с ртутью и сплавы с золотом , железом , цезием , натрием и калием , но не с литием (несмотря на то, что рубидий и литий находятся в одной периодической группе). [12] Рубидий и калий показывают очень похожий фиолетовый цвет в тесте на пламя , и для различения двух элементов требуется более сложный анализ, такой как спектроскопия. [13]
Рубидий является вторым наиболее электроположительным из стабильных щелочных металлов и имеет очень низкую первую энергию ионизации , всего 403 кДж/моль. [11] Он имеет электронную конфигурацию [Kr]5s 1 и является фоточувствительным. [14] Из-за своей сильной электроположительной природы рубидий взрывоопасно реагирует с водой. [15] Как и в случае со всеми щелочными металлами, реакция обычно достаточно бурная, чтобы воспламенить металл или водородный газ, образующийся в результате реакции, что может привести к взрыву. [16] Рубидий, будучи плотнее калия, тонет в воде, бурно реагируя; цезий взрывается при контакте с водой. [17] Однако скорости реакции всех щелочных металлов зависят от площади поверхности металла, контактирующего с водой, при этом небольшие капли металла дают взрывоопасные скорости. [18] Сообщалось также, что рубидий самопроизвольно воспламеняется на воздухе. [10]
Хлорид рубидия (RbCl), вероятно, является наиболее используемым соединением рубидия: среди нескольких других хлоридов он используется для того, чтобы побудить живые клетки поглощать ДНК ; он также используется в качестве биомаркера, поскольку в природе он встречается только в небольших количествах в живых организмах и, когда присутствует, заменяет калий. Другие распространенные соединения рубидия — это едкий 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 рубидия и меди, Rb 2 SO 4 ·CuSO 4 ·6H 2 O. Иодид рубидия и серебра (RbAg 4 I 5 ) имеет самую высокую проводимость при комнатной температуре среди всех известных ионных кристаллов , свойство, используемое в тонкопленочных батареях и других приложениях. [19] [20]
Рубидий образует ряд оксидов при контакте с воздухом, включая монооксид рубидия (Rb2O ) , Rb6O и Rb9O2 ; рубидий в избытке кислорода дает супероксид RbO2 . Рубидий образует соли с галогенами, производя фторид рубидия , хлорид рубидия , бромид рубидия и иодид рубидия . [ 21 ]
Хотя рубидий является моноизотопным , рубидий в земной коре состоит из двух изотопов: стабильного 85 Rb (72,2%) и радиоактивного 87 Rb (27,8%). [22] Природный рубидий радиоактивен, его удельная активность составляет около 670 Бк /г, что достаточно для значительного засвечивания фотопленки за 110 дней. [23] [24] Было синтезировано еще тридцать изотопов рубидия с периодом полураспада менее 3 месяцев; большинство из них высокорадиоактивны и имеют мало применений. [25]
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, [26] что делает его первичным нуклидом . Он легко заменяет калий в минералах и поэтому довольно широко распространен. Rb широко использовался при датировании пород ; 87Rb бета распадается до стабильного 87Sr . Во время фракционной кристаллизации Sr имеет тенденцию концентрироваться в плагиоклазе , оставляя Rb в жидкой фазе. Следовательно, отношение Rb/Sr в остаточной магме может со временем увеличиваться, а прогрессирующая дифференциация приводит к образованию пород с повышенными отношениями Rb/Sr. Самые высокие отношения (10 или более) встречаются в пегматитах . Если начальное количество Sr известно или может быть экстраполировано, то возраст можно определить путем измерения концентраций Rb и Sr и отношения 87Sr / 86Sr . Даты указывают на истинный возраст минералов только в том случае, если породы не были впоследствии изменены (см. датирование рубидием-стронцием ). [27] [28]
Рубидий-82 , один из неприродных изотопов элемента, производится путем электронного захвата распада стронция-82 с периодом полураспада 25,36 дней. С периодом полураспада 76 секунд рубидий-82 распадается путем позитронной эмиссии до стабильного криптона-82 . [22]
Рубидий не является распространенным, будучи одним из 56 элементов, которые в совокупности составляют 0,05% земной коры; примерно 23-й по распространенности элемент в земной коре, он более распространен, чем цинк или медь . [29] : 4 Он встречается в природе в минералах лейцит , поллуцит , карналлит и циннвальдит , которые содержат до 1% оксида рубидия . Лепидолит содержит от 0,3% до 3,5% рубидия и является коммерческим источником элемента. [30] Некоторые калийные минералы и хлориды калия также содержат элемент в коммерчески значимых количествах. [31]
Морская вода содержит в среднем 125 мкг/л рубидия по сравнению с гораздо более высоким значением для калия 408 мг/л и гораздо более низким значением 0,3 мкг/л для цезия. [32] Рубидий является 18-м наиболее распространенным элементом в морской воде. [14]
Из-за своего большого ионного радиуса рубидий является одним из « несовместимых элементов ». [33] Во время кристаллизации магмы рубидий концентрируется вместе со своим более тяжелым аналогом цезием в жидкой фазе и кристаллизуется последним. Поэтому крупнейшие месторождения рубидия и цезия представляют собой зональные пегматитовые рудные тела, образованные этим процессом обогащения. Поскольку рубидий заменяет калий при кристаллизации магмы, обогащение гораздо менее эффективно, чем у цезия. Зональные пегматитовые рудные тела, содержащие пригодные для добычи количества цезия в виде поллуцита или литиевых минералов лепидолита, также являются источником рубидия в качестве побочного продукта. [29]
Два примечательных источника рубидия — это богатые месторождения поллуцита в озере Берник , Манитоба , Канада, и рубиклин ((Rb,K)AlSi 3 O 8 ), обнаруженный в качестве примесей в поллуците на итальянском острове Эльба , с содержанием рубидия 17,5%. [34] Оба эти месторождения также являются источниками цезия. [ требуется ссылка ]
Хотя рубидий более распространен в земной коре, чем цезий, ограниченные области применения и отсутствие минерала, богатого рубидием, ограничивают производство соединений рубидия до 2–4 тонн в год. [29] Существует несколько методов разделения калия, рубидия и цезия. Фракционная кристаллизация рубидиевых и цезиевых квасцов (Cs,Rb)Al(SO 4 ) 2 ·12H 2 O дает после 30 последовательных стадий чистые рубидиевые квасцы. Сообщается о двух других методах: хлорстаннатном процессе и ферроцианидном процессе. [29] [35]
В течение нескольких лет в 1950-х и 1960-х годах побочный продукт производства калия под названием Alkarb был основным источником рубидия. Alkarb содержал 21% рубидия, остальное — калий и небольшое количество цезия. [36] Сегодня крупнейшие производители цезия производят рубидий как побочный продукт из поллуцита. [29]
Рубидий был открыт в 1861 году Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом в Гейдельберге, Германия, в минерале лепидолите с помощью пламенной спектроскопии . Из-за ярких красных линий в его спектре излучения они выбрали название, происходящее от латинского слова rubidus , что означает «тёмно-красный». [37] [38]
Рубидий является второстепенным компонентом в лепидолите . Кирхгоф и Бунзен обработали 150 кг лепидолита, содержащего всего 0,24% оксида рубидия (Rb2O ) . Как калий, так и рубидий образуют нерастворимые соли с хлороплатиновой кислотой , но эти соли показывают небольшую разницу в растворимости в горячей воде. Поэтому менее растворимый гексахлороплатинат рубидия ( Rb2PtCl6 ) можно было получить путем фракционной кристаллизации . После восстановления гексахлороплатината водородом в результате процесса было получено 0,51 грамма хлорида рубидия (RbCl2) для дальнейших исследований. Бунзен и Кирхгоф начали свою первую крупномасштабную изоляцию соединений цезия и рубидия с 44 000 литров (12 000 галлонов США) минеральной воды, что дало 7,3 грамма хлорида цезия и 9,2 грамма хлорида рубидия . [37] [38] Рубидий был вторым элементом, вскоре после цезия, который был открыт с помощью спектроскопии, всего через год после изобретения спектроскопа Бунзеном и Кирхгофом. [39]
Двое ученых использовали хлорид рубидия, чтобы оценить, что атомный вес нового элемента составляет 85,36 (в настоящее время принятое значение составляет 85,47). [37] Они попытались получить элементарный рубидий электролизом расплавленного хлорида рубидия, но вместо металла получили синее однородное вещество, которое «ни под невооруженным глазом, ни под микроскопом не показало ни малейшего следа металлического вещества». Они предположили, что это был субхлорид ( Rb
2Cl ); однако продукт, вероятно, представлял собой коллоидную смесь металла и хлорида рубидия. [40] Во второй попытке получить металлический рубидий Бунзену удалось восстановить рубидий путем нагревания обугленного тартрата рубидия . Хотя дистиллированный рубидий был пирофорным , им удалось определить плотность и температуру плавления. Качество этого исследования в 1860-х годах можно оценить по тому факту, что определенная ими плотность отличалась менее чем на 0,1 г/см 3 , а температура плавления менее чем на 1 °C от принятых в настоящее время значений. [41]
Небольшая радиоактивность рубидия была обнаружена в 1908 году, но это было до того, как в 1910 году была создана теория изотопов, и низкий уровень активности (период полураспада более 10 10 лет) усложнил интерпретацию. Доказанный в настоящее время распад 87 Rb до стабильного 87 Sr через бета-распад все еще обсуждался в конце 1940-х годов. [42] [43]
Рубидий имел минимальное промышленное значение до 1920-х годов. [29] С тех пор наиболее важным применением рубидия являются исследования и разработки, в первую очередь в химических и электронных приложениях. В 1995 году рубидий-87 был использован для получения конденсата Бозе-Эйнштейна , [44] за который его первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл , Карл Эдвин Виман и Вольфганг Кеттерле получили Нобелевскую премию по физике 2001 года . [45]
Соединения рубидия иногда используются в фейерверках , чтобы придать им фиолетовый цвет. [46] Рубидий также рассматривался для использования в термоэлектрическом генераторе, использующем магнитогидродинамический принцип, при котором горячие ионы рубидия пропускаются через магнитное поле . [47] Они проводят электричество и действуют как якорь генератора, тем самым генерируя электрический ток . Рубидий, в частности испаренный 87 Rb, является одним из наиболее часто используемых атомных видов, используемых для лазерного охлаждения и конденсации Бозе-Эйнштейна . Его желательные характеристики для этого применения включают в себя доступность недорогого диодного лазерного света на соответствующей длине волны и умеренные температуры, необходимые для получения существенного давления паров. [48] [49] Для применений с холодными атомами, требующих настраиваемых взаимодействий, 85 Rb предпочтителен из-за его богатого спектра Фешбаха . [50]
Рубидий использовался для поляризации 3 He , производя объемы намагниченного газа 3 He, с ядерными спинами, выровненными, а не случайными. Пары рубидия оптически накачиваются лазером, а поляризованный Rb поляризует 3 He через сверхтонкое взаимодействие. [51] Такие спин-поляризованные ячейки 3 He полезны для измерений поляризации нейтронов и для производства поляризованных нейтронных пучков для других целей. [52]
Резонансный элемент в атомных часах использует сверхтонкую структуру энергетических уровней рубидия, а рубидий полезен для высокоточного отсчета времени. Он используется в качестве основного компонента вторичных эталонов частоты (рубидиевых осцилляторов) 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 является менее дорогим, чем цезиевые стандарты. [53] [54] Такие рубидиевые стандарты часто производятся массово для телекоммуникационной отрасли . [55]
Другие потенциальные или текущие применения рубидия включают рабочую жидкость в паровых турбинах, в качестве геттера в вакуумных трубках и в качестве компонента фотоэлемента . [56] Рубидий также используется в качестве ингредиента в специальных типах стекла, в производстве супероксида путем сжигания в кислороде , в изучении каналов ионов калия в биологии и в качестве пара в атомных магнитометрах . [57] В частности, 87Rb используется с другими щелочными металлами в разработке спин-обменных релаксационных магнитометров (SERF) . [57]
Рубидий-82 используется для позитронно-эмиссионной томографии . Рубидий очень похож на калий, и ткани с высоким содержанием калия также будут накапливать радиоактивный рубидий. Одним из основных применений является визуализация перфузии миокарда . В результате изменений в гематоэнцефалическом барьере при опухолях мозга рубидий накапливается в опухолях мозга больше, чем в нормальной мозговой ткани, что позволяет использовать радиоизотоп рубидий-82 в ядерной медицине для обнаружения и визуализации опухолей мозга. [58] Рубидий-82 имеет очень короткий период полураспада, составляющий 76 секунд, и производство путем распада стронция-82 должно осуществляться вблизи пациента. [59]
Рубидий был протестирован на предмет влияния на маниакальную депрессию и депрессию. [60] [61] У пациентов, страдающих депрессией и находящихся на диализе, наблюдается истощение рубидия, поэтому его прием может помочь при депрессии. [62] В некоторых тестах рубидий вводился в виде хлорида рубидия в дозе до 720 мг в день в течение 60 дней. [63] [64]
Рубидий бурно реагирует с водой и может вызывать пожары. Для обеспечения безопасности и чистоты этот металл обычно хранится под сухим минеральным маслом или запечатанным в стеклянных ампулах в инертной атмосфере. Рубидий образует перекиси при воздействии даже небольшого количества воздуха, диффундирующего в масло, и хранение требует тех же мер предосторожности, что и хранение металлического калия . [66]
Рубидий, как и натрий и калий, почти всегда имеет степень окисления +1 при растворении в воде, даже в биологических контекстах. Человеческий организм склонен относиться к ионам Rb + так, как если бы они были ионами калия, и поэтому концентрирует рубидий во внутриклеточной жидкости организма (т. е. внутри клеток). [67] Ионы не особенно токсичны; человек весом 70 кг содержит в среднем 0,36 г рубидия, и увеличение этого значения в 50–100 раз не показало отрицательных эффектов у испытуемых. [68] Биологический период полураспада рубидия у людей составляет 31–46 дней. [60] Хотя частичная замена калия рубидием возможна, когда более 50% калия в мышечной ткани крыс было заменено рубидием, крысы погибли. [69] [70]