Руби́дий ( химический символ — Rb, от лат. Rubidium ) — химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы, IA), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 37.

Простое вещество рубидий — мягкий легкоплавкий щелочной металл серебристо-белого цвета .

История

В 1861 году немецкие учёные Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф , изучая с помощью спектрального анализа природные алюмосиликаты , обнаружили в них новый элемент, впоследствии названный рубидием по цвету наиболее сильных линий спектра. Название, которое происходит от латинского слова rubidus , что означает «насыщенно красный» .

Рубидий имел минимальную промышленную ценность до 1920-х годов . С тех пор наиболее важным применением рубидия являются исследования и разработки, главным образом в области химии и электроники. В 1995 году рубидий-87 был использован для получения конденсата Бозе-Эйнштейна , за который первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл , Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили в 2001 году Нобелевскую премию по физике .

Обнаружение радиоактивности рубидия

Природная радиоактивность рубидия была открыта и в 1906 году с помощью ионизационного метода и подтверждена В. Стронгом в 1909 году с помощью фотоэмульсии . В 1930 году Л. В. Мысовский и с помощью камеры Вильсона показали, что эта радиоактивность сопровождается испусканием бета-частиц . Позже было показано, что она обусловлена бета-распадом природного изотопа .

Происхождение названия

Название дано по цвету наиболее характерных красных линий спектра (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный).

Нахождение в природе

Мировые ресурсы рубидия

Содержание рубидия в земной коре составляет 7,8⋅10 ⁻³ %, что примерно равно суммарному содержанию никеля , меди и цинка . По распространённости в земной коре рубидий находится примерно на 23-м месте, примерно так же распространённым, как цинк, и более распространённым, чем медь . Однако в природе он находится в рассеянном состоянии, рубидий — типичный рассеянный элемент . Собственные минералы рубидия неизвестны. Рубидий встречается вместе с другими щелочными элементами , он всегда сопутствует калию . Обнаружен в очень многих горных породах и минералах, найденных, в частности, в Северной Америке, Южной Африке и России, но его концентрация там крайне низка. Только лепидолиты содержат несколько больше рубидия, иногда 0,3 %, а изредка и до 3,5 % (в пересчёте на Rb ₂ О ) .

Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озёр. Концентрация их и здесь очень невелика, в среднем порядка 125 мкг/л, что меньше чем значение для калия — 408 мкг/л . В отдельных случаях содержание рубидия в воде выше: в Одесских лиманах оно оказалось равным 670 мкг/л, а в Каспийском море — 5700 мкг/л. Повышенное содержание рубидия обнаружено и в некоторых минеральных источниках Бразилии.

Из морской воды рубидий перешёл в калийные соляные отложения, главным образом, в карналлиты . В штасфуртских и соликамских карналлитах содержание рубидия колеблется в пределах от 0,037 до 0,15 %. Минерал карналлит — сложное химическое соединение, образованное хлоридами калия и магния с водой; его формула — KCl·MgCl ₂ ·6H ₂ O. Рубидий даёт соль аналогичного состава RbCl·MgCl ₂ ·6H ₂ O, причём обе соли — калиевая и рубидиевая — имеют одинаковое строение и образуют непрерывный ряд твёрдых растворов , кристаллизуясь совместно. Карналлит хорошо растворим в воде, потому вскрытие минерала не составляет большого труда. Сейчас разработаны и описаны в литературе рациональные и экономичные методы извлечения рубидия из карналлита, попутно с другими элементами.

Месторождения

Минералы, содержащие рубидий ( лепидолит , циннвальдит , поллуцит , амазонит ), находятся на территории Германии , Чехии , Словакии , Намибии , Зимбабве , Туркменистана и других странах .

В космосе

Аномально высокое содержание рубидия наблюдается в объектах Торна — Житков (состоящих из красного гиганта или сверхгиганта , внутри которого находится нейтронная звезда ) .

Физические свойства

Полная электронная конфигурация рубидия: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ¹⁰ 4s ² 4p ⁶ 5s ¹ .

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы , имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 МН/м ² (0,02 кгс/мм ² ).

Кристаллическая решётка рубидия кубическая объёмно-центрированная, а = 5,71 Å (при комнатной температуре).

Атомный радиус 2,48 Å, радиус иона Rb ⁺ 1,49 Å.

Плотность 1,525 г/см ³ (0 °C), температура плавления 38,9 °C, температура кипения 688,0 °C .

Удельная теплоемкость 335,2 Дж/(кг·К) [0,08 кал/(г·°С)], термический коэффициент линейного расширения 9,0⋅10 ⁻⁵ K ⁻¹ (при 0—38 °C), модуль упругости 2,4 ГН/м² (240 кгс/мм²), удельное объёмное электрическое сопротивление 11,29⋅10 ⁻⁶ Ом·см (при 20 °C); рубидий парамагнитен .

Металлический рубидий имеет сходство с калием и цезием по внешнему виду, мягкости и проводимости . Рубидий не следует хранить на открытом воздухе, так как будет происходить реакция с выделением большого количества теплоты, иногда даже приводящая к воспламенению металла . Рубидий является первым щелочным металлом в группе, плотность которого выше, чем у воды, поэтому он тонет в отличие от металлов над ним в группе.

Химические свойства

Щелочной металл , крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимые.

Соединения рубидия

Гидроксид рубидия RbOH — одна из наиболее сильных щелочей , весьма агрессивен по отношению к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный RbOH разрушает большинство металлов.

Получение

Большую часть добываемого рубидия получают как побочный продукт при производстве лития из лепидолита . После выделения лития в виде карбоната или гидроксида рубидий осаждают из маточных растворов в виде смеси алюморубидиевых, алюмокалиевых и алюмоцезиевых квасцов RbAl(SO ₄ ) ₂ ·12H ₂ O, KAl(SO ₄ )2·12H ₂ O, CsAl(SO ₄ ) ₂ ·12H ₂ O. Смесь разделяют многократной перекристаллизацией.

Рубидий также выделяют и из отработанного электролита , получающегося при получении магния из карналлита . Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках или . Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs ₃ [Sb ₂ Cl ₉ ]. Можно извлекать рубидий и из технологических растворов, образующихся при получении глинозёма из нефелина .

Для извлечения рубидия используют методы экстракции и ионообменной хроматографии. Соединения рубидия высокой чистоты получают с использованием полигалогенидов.

Значительную часть производимого рубидия выделяют в ходе получения лития, поэтому появление большого интереса к литию для использования его в термоядерных процессах в 1950-х и в аккумуляторах в 2000-x привело к увеличению добычи лития, а, следовательно, и рубидия. Именно поэтому соединения рубидия стали более доступными. 2RbCl+Ca=2Rb(g)+CaCl2 (t°C) 2Ca2CO3+Zr=ZrO2+2CO2(g)+4Rb(g) (t°C)

Применение

Хотя в ряде областей применения рубидий уступает цезию , этот редкий щелочной металл играет важную роль в современных технологиях. Можно отметить следующие основные области применения рубидия: катализ , электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина (его соединения обладают нормотимическими свойствами).

Рубидий используется не только в чистом виде, но и в виде ряда сплавов и химических соединений. Он образует амальгамы с ртутью и сплавы с золотом, железом, цезием, натрием и калием, но не литием (хотя рубидий и литий находятся в одной группе) . Рубидий имеет хорошую сырьевую базу, более благоприятную, чем для цезия. Область применения рубидия в связи с ростом его доступности расширяется.

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием — это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов (в этой связи рубидий и цезий в последние годы приобрели важное значение, и чрезвычайная дороговизна металлов уходит на второй план по отношению к возможностям резко увеличить КПД турбоагрегатов, а значит, и снизить расходы топлива и загрязнение окружающей среды). Применяемые наиболее широко в качестве теплоносителей системы на основе рубидия — это тройные сплавы: натрий - калий -рубидий, и натрий-рубидий- цезий .

В катализе рубидий используется как в органическом, так и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия используется в основном для переработки нефти на ряд важных продуктов. Ацетат рубидия , например, используется для синтеза метанола и целого ряда высших спиртов из водяного газа, что актуально в связи с подземной газификацией угля и в производстве искусственного жидкого топлива для автомобилей и реактивного топлива. Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия, и в связи с этим он способен в этом случае составить конкуренцию цезию как материал для фотопреобразователей. В составе специальных смазочных композиций (сплавов) рубидий применяется как высокоэффективная смазка в вакууме (ракетная и космическая техника).

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных химических источников тока ^{[ источник не указан 4030 дней ]} , а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита ^{[ источник не указан 4030 дней ]} . В гидридных топливных элементах находит применение металлический рубидий.

Хлорид рубидия в сплаве с хлоридом меди находит применение для измерения высоких температур (до 400 °C ).

Пары рубидия используются как рабочее тело в лазерах , в частности, в рубидиевых атомных часах .

Хлорид рубидия применяется в топливных элементах в качестве электролита, то же можно сказать и о гидроксиде рубидия, который очень эффективен как электролит в топливных элементах, использующих прямое окисление угля.

Соединения рубидия иногда используются в фейерверках, чтобы придать им фиолетовый цвет .

Биологическая роль

Рубидий относится к элементам с недостаточно изученной биологической ролью. Он относится к микроэлементам . Обычно рубидий рассматривают совместно с цезием , поэтому их роль в организме человека изучается параллельно.

Рубидий в живых организмах

Рубидий постоянно присутствует в тканях растений и животных. В земных растениях содержится всего около 0,000064 % рубидия, а в морских — ещё меньше. Однако рубидий способен накапливаться в растениях, а также в мышцах и мягких тканях актиний, ракообразных, червей, рыб и иглокожих, причём величина коэффициента накопления составляет от 8 до 26. Наибольший коэффициент накопления (2600) искусственного радиоактивного изотопа ⁸⁶ Rb обнаружен у ряски Lemna polyrrhiza , а среди пресноводных беспозвоночных — Galba palustris . Физиологическая роль рубидия заключается в его способности ингибировать простагландины PGE ₁ и PGE ₂ , PGE ₂ -альфа и в наличии антигистаминных свойств.

Метаболизм рубидия

Обмен рубидия в организме человека ещё не до конца изучен. Ежедневно в организм человека с пищей поступает до 1,5-4,0 мг рубидия. Через 60-90 минут при пероральном поступлении рубидия в организм, его можно обнаружить в крови . Средний уровень рубидия в крови составляет 2,3-2,7 мг/л.

Основные проявления дефицита рубидия в организме

Недостаточность рубидия изучена плохо. Его содержание ниже 250 мкг/л в корме у подопытных животных может привести к сокращению продолжительности жизни, снижению аппетита, задержкам роста и развития, преждевременным родам, выкидышам.

Токсичность

Ионы рубидия при поступлении в организм человека накапливаются в клетках, так как организм относится к ним так же, как к ионам калия . Однако рубидий малотоксичен, в организме человека массой 70 кг содержится 0,36 грамм рубидия, и даже при увеличении этого числа в 50-100 раз негативных эффектов не наблюдается .

Меры предосторожности

Элементарный рубидий опасен в обращении. Его, как правило, хранят в ампулах из стекла пирекс в атмосфере аргона или в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного масла (вазелинового, парафинового). Утилизируют рубидий обработкой остатков металла пентанолом .

Изотопы

В природе существуют два изотопа рубидия : стабильный (содержание в натуральной смеси: 72,2 %) и бета-радиоактивный (27,8 %). Период полураспада последнего равен 49,23 млрд лет (почти в 11 раз больше возраста Земли ). Продукт распада — стабильный изотоп стронций-87. Постепенное накопление радиогенного стронция в минералах, содержащих рубидий, позволяет определять возраст этих минералов, измеряя содержание в них рубидия и стронция (см. в ). Благодаря радиоактивности ⁸⁷ Rb природный рубидий обладает удельной активностью около 670 кБк /кг .

Искусственным путём получены 30 радиоактивных изотопов рубидия (в диапазоне массовых чисел от 71 до 102), не считая 16 возбуждённых изомерных состояний .

Примечания

Литература

• Перельман Ф. М. Рубидий и цезий (рус.) . — 2-е изд., доп. и перераб.. — Изд-во АН СССР, 1960. — 140 с.
• Плющев В. Е., Степин Б. Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия (рус.) . — М. — Л. : Химия, 1970. — 407 с.
• Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М. : Мир, 1971. — Т. 1. — 561 с.

Ссылки