RUBIDIUM: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, MEGSZERZÉS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A rubídium a periódusos rendszer 1. csoportjába tartozó fém elem: az alkálifém, amelyet az Rb kémiai szimbólum ábrázol. A neve a rubinhoz hasonlónak hangzik, és azért van, mert amikor felfedezték, emisszióspektruma jellemző mélyvörös színű vonalakat mutatott.

Ez az egyik legreagálóbb fémek. Ez az első alkálifém, amely annak ellenére, hogy nem túl sűrű, vízbe süllyed. Robbanóbb módon reagál vele, mint a lítium, a nátrium és a kálium. Kísérleteket végeztek, amelyekben a hólyagok eltörnek ott, ahol tárolják (az alsó kép), hogy zuhanjon és felrobbanjon a kádban.

Ampulla egy gramm rubídiummal inert atmoszférában tárolva. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A rubídium abban különbözik, hogy drágább fém, mint maga az arany; nem annyira hiánya miatt, hanem a földkéregben található széles körű ásványtani eloszlása ​​és a nehézségek miatt, amelyek akkor merülnek fel, ha azt kálium- és céziumvegyületekből izolálják.

Világos tendenciát mutat az ásványi anyagok káliumához való kötődése, szennyeződések formájában. Nem csak geokémiai szempontból duó képződik káliummal, hanem a biokémia területén is.

A szervezet "hibás" a K ⁺ -ionokkal az Rb ⁺ -okkal; azonban a rubídium eddig nem nélkülözhetetlen elem, mivel az anyagcserében betöltött szerepe ismeretlen. Ennek ellenére a rubídium-kiegészítőket alkalmaztak bizonyos egészségügyi állapotok, például a depresszió és az epilepszia enyhítésére. Másrészt mindkét ion lila lángot bocsát ki a öngyújtó hőjében.

A magas költségek miatt alkalmazásai nem túl sokkal a katalizátorok vagy anyagok szintézisén alapulnak, hanem elméleti fizikai alapokkal rendelkező különféle eszközök alkotóelemeként. Az egyik az atomi óra, a napelemek és a magnetométerek. Ez az oka annak, hogy a rubídiumot néha alábecsülteknek vagy alulvizsgált fémeknek tekintik.

Történelem

A Rubidiumot 1861-ben a német vegyészek, Robert Bunsen és Gustav Kirchhoff fedezték fel spektroszkópia segítségével. Ehhez a két évvel korábban kitalált Bunsen égőt és a spektroszkópot, valamint az analitikus csapadéktechnikát használták. Tanulmányuk tárgya az ásványi lepidolit volt, amelynek mintáját a németországi Szászországból gyűjtötték.

Kezdték 150 kg lepidolit ásványi, amelyhez kezelt klórplatinasav, H ₂ PtCl ₆, a csapadékot a kálium hexachloroplatinate, K ₂ PtCl ₆. Amikor azonban megvizsgálták a spektrumát a Bunsen-égőben történő égetéssel, rájöttek, hogy emissziós vonalai vannak, amelyek akkoriban nem estek egybe más elemmel.

Ezen új elem emisszióspektrumát két jól definiált vonal jellemzi a vörös régióban. Ezért kereszteltették meg rubidus néven, ami azt jelenti, hogy sötétvörös. Később, Bunsen és Kirchhoff sikerült elválasztó Rb ₂ PtCl ₆ K ₂ PtCl ₆ frakcionált kristályosítással; végül hidrogén alkalmazásával klorid-sójává redukáljuk.

Az új rubidium elem sójának azonosítására és izolálására a német vegyészeknek csak azt kellett fémállapotba redukálni. Ennek elérése érdekében kétféleképpen próbálkoztak: elektrolízist alkalmaztak rubídium-kloriddal vagy egy könnyebben redukálható só, például tartarát melegítését. Így született a fém rubídium.

Fizikai és kémiai tulajdonságok

Megjelenés

Puha, ezüstszürke fém. Olyan sima, hogy vajnak néz ki. Általában üveg ampullákba csomagolják, amelyekben inert légkör uralkodik, amely megvédi a levegővel való reakciót.

Atomszám (Z)

37

Moláris tömeg

85,4678 g / mol

Olvadáspont

39 ºC

Forráspont

688 ºC

Sűrűség

Szobahőmérsékleten: 1,532 g / cm ³

At Olvadáspont: 1,46 g / cm ³

A rubídium sűrűsége nagyobb, mint a vízé, tehát elsüllyed, miközben hevesen reagál vele.

A fúziós hő

2,19 kJ / mol

A párolgás hője

69 kJ / mol

elektronegativitás

0,82 a Pauling skálán

Elektronikus affinitás

46,9 kJ / mol

Ionizációs energiák

-Első: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gáznemű)

-Második: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ gáznemű)

-Harmadik: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ gáznemű)

Atomic radio

248 pm (empirikus)

Hővezető

58,2 W / (mK)

Elektromos ellenállás

128 nΩm 20 ° C-on

Mohs keménysége

0.3. Ezért még a talkum is nehezebb, mint a fém rubídium.

Reakcióképesség

Rubidium lángtesztje. Amikor reagál, lila lángot bocsát ki. Forrás: Didaktische.Medien

A rubídium az egyik legreagálóbb alkálifém, cézium és francium után. Amint a levegőnek van kitéve, égni kezd, és ha megüt, akkor könnyű szikrákat bocsát ki. Melegítve lila lángot bocsát ki (felülnézet), amely pozitív teszt az Rb ⁺ ionokra.

Reagál oxigénnel, és peroxidok (Rb ₂ O ₂) és szuperoxidok (RbO ₂) keverékét képezi. Noha savakkal és bázisokkal nem reagál, hevesen reagál vízzel, rubidium-hidroxidot és hidrogéngázt fejlesztve:

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

Hidrogénnel reagál, hogy a megfelelő hidridet képezzék:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

És robbanásveszélyes halogénekkel és kénnel:

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (ek)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Bár a rubídiumot nem tekintik mérgező elemnek, potenciálisan veszélyes és tűzveszélyt jelent, ha vízzel és oxigénnel érintkezik.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A Rubídium-atomok úgy vannak elrendezve, hogy test-központú köbös szerkezetű (bcc) kristályt képezzenek. Ez a szerkezet az alkálifémekre jellemző, amelyek könnyűek és hajlamosak a vízen úszni; kivéve a rubídiumtól lefelé (cézium és francium).

A rubídium-bcc-kristályokban az Rb-atomok kölcsönhatásba lépnek a fémkötésnek köszönhetően. Ezt az "elektronok tengere" szabályozza a valenciahéjából, az 5s-es keringőből az elektronikus konfigurációja szerint:

5s ¹

Mind az 5-ös orbitál egyetlen elektronjával átfedésben van a fém rubidium kristályok minden méretében. Ezek az interakciók azonban gyengék, mivel az ember az alkálifémcsoporton keresztül süllyedve az orbitálisok diffúzabbak lesznek, és ezért a fémkötés gyengül.

Ezért a rubídium olvadáspontja 39ºC. Hasonlóképpen, a gyenge fémkötés magyarázza szilárd anyagának lágyságát; olyan puha, mint ezüstvaj.

Nincs elegendő bibliográfiai információ a kristályok magas nyomás alatt fellépő viselkedéséről; ha vannak sűrűbb, egyedi tulajdonságokkal rendelkező fázisok, például nátrium.

Oxidációs számok

Elektronikus konfigurációja egyszerre jelzi, hogy a rubídium erősen hajlandó elveszíteni egyetlen elektronját, és izoelektronikusá válik a nemesgáz kriptonja számára. Amikor ez megtörténik, ^{képződik az} Rb ⁺ monovalens kation. Azt mondják, hogy vegyületeiben oxidációs száma +1, ha feltételezik ennek a kationnak a létezését.

A rubídium oxidálódására való hajlamának következtében a feltételezés, hogy az Rb ⁺ -ionok léteznek a vegyületeiben, helyesen jelzi ezen vegyületek ionos jellegét.

Szinte az összes rubídiumvegyületben +1 oxidációs számot mutat. Ezekre példa a következő:

-Rubidium-klorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^-)

-Rubidium-hidroxid, RbOH (Rb ⁺ OH ^-)

-Rubidium-karbonát, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ²)

-Rubidium-monoxid, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ²)

-Rubidium-szuperoxid, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^-)

Noha a ritka, a rubídiumnak negatív oxidációs száma is lehet: -1 (Rb ^-). Ebben az esetben „rubididről” beszélhetünk, ha olyan vegyületet képez, amelynek elemei kevésbé vannak elektronegatívak, vagy ha különleges és szigorú feltételeknek vetik alá.

A klaszterek

Vannak olyan vegyületek, amelyekben mindegyik Rb-atom oxidációs számot mutat frakcionált értékekkel. Például Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ²) és Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ²) esetén a pozitív töltés eloszlik egy sor Rb atom (klaszterek) között. Így az Rb ₆ O-ban az oxidációs szám elméletileg +1/3; míg Rb ₉ O ₂, + 0,444 (4/9).

Az Rb9O2 klaszter felépítése. Forrás: Axiosaurus

Fent van az Rb ₉ O ₂ klaszter szerkezete, amelyet egy gömb és rúd modell reprezentál. Vegye figyelembe, hogy a kilenc Rb atom "körülzárja" az O ^2- anionokat.

Kiemelésképpen úgy tűnik, mintha az eredeti fém rubídium-kristályok egy része változatlan maradna, miközben elválasztották az anyakristálytól. Elveszítik az elektronokat a folyamat során; azokra, amelyek szükségesek, hogy vonzzák a O ^2-, és a kapott pozitív töltés között oszlik minden atom az említett klaszter (készlet vagy aggregátumai Rb atomok).

Így ezekben a rubídium klaszterekben az Rb ⁺ létezése formálisan nem feltételezhető. Az Rb ₆ O és az Rb ₉ O ₂ rubídium-szuboxidokként _vannak besorolva, amelyekben a fématomoknak az oxid anionokkal szembeni feleslegének nyilvánvaló rendellenessége teljesül.

Hol található és szerezhető be

Földkéreg

Lepidolit ásványi minta. Forrás: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

A rubidium a földkéreg 23. legelterjedtebb eleme, bőségesen hasonló a cink, az ólom, a cézium és a réz fémekhez. A részlet az, hogy ionjai széles körben diffundáltak, tehát egyetlen fémfémetényben sem dominálnak ásványi anyagokban, ércek szintén ritkák.

Ez az oka annak, hogy a rubídium nagyon drága fém, még magasabb, mint maga az arany, mivel ércéből kinyerésének folyamata összetett a hasznosítási nehézségek miatt.

A természetben, tekintettel annak reaktivitását, rubídium nem található natív állapotban, hanem egy-oxid (Rb ₂ O), kloridot (RBCL) vagy kíséri más anionok. „Szabad” Rb ⁺ -ionjai megtalálhatók a tengerben, 125 μg / L koncentrációval, valamint a forró forrásokban és a folyókban.

A földkéreg ásványai közül, amelyek kevesebb, mint 1% koncentrációban tartalmazzák, a következők:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Karnalit, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

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

-Amazonit, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Petalit, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotite, K (Mg, Fe) ₃ AISi ₃ O ₁₀ (OH, F) ₂

-Rubiclin, (Rb, K) AISi ₃ O ₈

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

Geokémiai Egyesület

Ezeknek az ásványoknak egy vagy két közös vonása van: kálium-, cézium- vagy lítium-szilikátok, vagy ezeknek a fémeknek ásványi sói.

Ez azt jelenti, hogy a rubídiumnak erős hajlam társulni káliummal és céziummal; Még helyettesítheti a káliumot az ásványok vagy kőzetek kristályosodása során, amint a pegmatitok lerakódásai történnek, amikor a magma kristályosodik. Így a rubídium e kőzetek és ásványaik kiaknázásának és finomításának mellékterméke.

A rubídium megtalálható a közönséges kőzetekben, például gránitban, agyagban és bazaltban, és még a széntartalmú lerakódásokban is. A természetes eredetű források közül a lepidolit képviseli a fő ércét, és ebből származik kereskedelemben.

A karnalitban viszont a rubídium RbCl szennyeződésként található meg, amelynek tartalma 0,035%. Nagyobb koncentrációban vannak polucit- és rubicline-lerakódások, amelyek akár 17% rubidiumot is tartalmazhatnak.

Geokémiai asszociációja a káliummal az ion sugaraik hasonlóságából adódik; Az Rb ⁺ nagyobb, mint a K ⁺, de a méretbeli különbség nem akadálya annak, hogy az előbbi helyettesítse az utóbbit ásványi kristályaiban.

Frakcionált kristályosítás

Lepidolitból vagy polucitból, vagy a fent említett ásványok bármelyikéből kiindulva, a kihívás többé-kevésbé ugyanaz: a rubídiumot különítsük el a káliumtól és a céziumtól; vagyis alkalmazzon olyan keverési elválasztási technikákat, amelyek lehetővé teszik egyrészről rubídiumvegyületek vagy sók, másrészt kálium- és céziumsók alkalmazását.

Ez nehéz, mivel ezek az ionok (K ⁺, Rb ⁺ és Cs ⁺) nagy kémiai hasonlóságot mutatnak; Hasonló módon reagálnak, és ugyanazokat a sókat képezik, amelyek sűrűségük és oldhatóságuk miatt alig különböznek egymástól. Ezért használunk frakcionált kristályosítást, hogy ezek lassan és ellenőrzött módon kristályosodjanak.

Például ezt a technikát használják a karbonátok és az alumínium keverékének elválasztására e fémektől. Az átkristályosítási eljárásokat többször meg kell ismételni, hogy garantálják a nagyobb tisztaságú és együtt kicsapódott ionoktól mentes kristályokat; egy rubídiumsó, amely K ⁺ vagy Cs ⁺ ionokkal kristályosodik a felületén vagy belül.

Korszerűbb technikák, például ioncserélő gyanta vagy koronaéterek komplexképző szerként történő használata szintén lehetővé teszik az Rb ⁺ ionok elkülönítését.

Elektrolízis vagy redukció

Miután a rubídiumsót elválasztottuk és tisztítottuk, a következő és az utolsó lépés az Rb ⁺ kationok szilárd fémré történő redukálása. Ehhez a sót megolvasztják és elektrolízisnek vetik alá, így rubidium csapadék válik ki a katódon; vagy erős redukálószert, például kalciumot és nátriumot használunk, amely képes az elektronok gyors elvesztésére és ezáltal redukálni a rubídiumot.

Izotóp

A rubídium két természetes izotópként található meg a Földön: ⁸⁵ Rb és ⁸⁷ Rb. Az első bősége 72,17%, míg a második 27,83%.

A ⁸⁷ Rb felelős, hogy ez a fém radioaktív legyen; sugárzása azonban ártalmatlan, és még a randevú elemzéshez is hasznos. A felezési ideje (t _1/2) 4,9 · 10 ¹⁰ év, amelynek időtartama meghaladja az Univerzum életkorát. Ha bomlik, akkor stabil ⁸⁷ izotópmá válik.

Ennek köszönhetően ezt az izotópot a Föld kezdete óta jelenlévő földi ásványok és kőzetek korszakára használják.

A ⁸⁵ Rb és ⁸⁷ Rb izotópokon kívül vannak más szintetikus és radioaktív is, változó és sokkal rövidebb élettartammal; például a ⁸² Rb (t _1/2 = 76 másodperc), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 nap), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 nap) és ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 nap). Ezek közül ⁸² Rb a legelterjedtebb az orvosi vizsgálatokban.

kockázatok

Fém

A rubídium olyan reakcióképes fém, amelyet üveg ampullákban inert atmoszférában kell tárolni, hogy ne reagáljon a levegőben lévő oxigénnel. Ha a buborékcsomagolás eltört, a fém petróleumba vagy ásványolajba helyezhető annak védelme érdekében; végül azonban a bennük oldódó oxigén oxidálja, és rubidium-peroxidokat eredményez.

Ha viszont úgy dönt, hogy például fára helyezik, akkor lila lánggal ég. Ha nagyon sok a páratartalom, akkor csak a levegőnek való kitettséggel ég. Ha egy nagy mennyiségű rubídiumot dob ​​be egy mennyiségű vízbe, akkor erőteljesen felrobban, még a keletkező hidrogéngáz meggyulladása esetén is.

Ezért a rubídium olyan fém, amelyet nem mindenkinek kell kezelnie, mivel gyakorlatilag minden reakció robbanásveszélyes.

Ion

A fém rubídiumtól eltérően, az Rb ⁺ -ionok nem jelentenek nyilvánvaló veszélyt az élő dolgokra. A vízben oldott anyagok ugyanúgy kölcsönhatásba lépnek a sejtekkel, mint a K ⁺ -ionok.

Ezért a rubídium és a kálium hasonló biokémiai viselkedéssel bír; a rubídium azonban nem elengedhetetlen elem, míg a kálium. Ily módon számottevő mennyiségű Rb ⁺ felhalmozódhat a sejtekben, a vörösvértestekben és a zsigerekben anélkül, hogy bármely állat szervezetét negatívan befolyásolná.

Valójában egy 80 kg tömegű felnőtt férfi becslések szerint mintegy 37 mg rubídiumot tartalmaz; és ezen túlmenően ezen koncentráció 50–100-szorosának növekedése nem vezet nem kívánatos tünetekhez.

Az Rb ⁺ -ionok feleslege azonban a K ⁺ -ionok kiszorítását eredményezheti; következésképpen az egyén haláláig nagyon erős izomgörcsöt szenved.

Nyilvánvaló, hogy az oldható rubídiumsók vagy vegyületek ezt azonnal kiválthatják, tehát egyiket sem szabad lenyelni. Ezen felül egyszerű érintkezéssel égési sérüléseket okozhat, és a legmérgezőbbek közé tartozik a rubídium rubidium-fluorid (RbF), hidroxid (RbOH) és cianid (RbCN).

Alkalmazások

Gázgyűjtő

A rubídiumot gáznyomok rögzítésére vagy eltávolítására használják, amelyek vákuumzárral ellátott csövekben lehetnek. Pontosan azért, mert hajlamosak az oxigént és a nedvességet elfogni bennük, peroxidokként eliminálják őket a felszínükön.

Pirotechnika

Amikor a rubídiumsók égnek, jellegzetes vöröses-lila lángot bocsátanak ki. Néhány tűzijáték összetételében ezek a sók tartalmazzák ezeket a színeket.

Kiegészítés

A rubídium-kloridot a depresszió leküzdésére írták fel, mivel a tanulmányok meghatározták az elem hiányát ezen betegségben szenvedő egyéneknél. Nyugtatóként és epilepsziának kezelésére is felhasználták.

Bose-Einstein kondenzátum

A ⁸⁷ Rb izotóp atomjait használtuk fel az első Bose-Einstein kondenzátum előállítására. Az anyagállapot abban áll, hogy az atomok az abszolút nulla (0 K) -hoz közeli hőmérsékleten vannak csoportosítva vagy "kondenzálva", és úgy viselkednek, mintha egy lenne.

Így a rubídium volt a fizika diadalának főszereplője, és Eric Cornell, Carl Wieman és Wolfgang Ketterle kapott 2001-ben Nobel-díjat ennek a munkának köszönhetően.

Tumor diagnosztizálása

A szintetikus radioizotóp ⁸² Rb bomlik, pozitronokat bocsátva ki, amelyeket felhalmoznak a káliumban gazdag szövetekben; mint amilyen az agyban vagy a szívben található. Ezért arra használják, hogy pozitív emissziós tomográfia segítségével elemezzék a szív működését és az agyban esetleges daganatok jelenlétét.

Összetevő

A rubídium-ionok megtaláltak helyet különféle anyagokban vagy keverékekben. Például ötvözeteit aranyból, céziumból, higanyból, nátriumból és káliumból készítették. Hozzáadták az üvegekhez és a kerámiákhoz valószínűleg az olvadáspontjuk növelése érdekében.

A napelemekben fontos összetevőként perovskiteket adtak hozzá. Hasonlóképpen megvizsgálták annak lehetséges felhasználását termoelektromos generátorként, hőátadó anyagként az űrben, tüzelőanyagot ionmeghajtó motorokban, alkáli elemek elektrolitikus közegében és atomi magnetométerekben.

Atomi órák

A rubídium és a cézium segítségével elkészítették a híres, nagyon pontos atomórákat, amelyeket például GPS-műholdakban használtak, amelyekkel okostelefonjaik tulajdonosai megismerhetik helyüket, miközben egy úton haladnak.

Irodalom

1. Tom Bond. (2008. október 29.). Rubídium. Helyreállítva: chemistryworld.com
2. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubídium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2019). Rubídium. PubChem adatbázis. CID = 5357696. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P. és Sadler, PJ (2015). Az élet elemei és a gyógyszerek. Filozófiai tranzakciók. A. sorozat, Matematikai, fizikai és mérnöki tudományok, 373 (2037), 20140182. Doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Orvosi Oktatási és Kutatási Alapítvány. (2019). Rubidium Rb 82 (intravénás út). Helyreállítva: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (Sf). Rubídium. Helyreállítva: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (2019. április 12.). Rubídium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Rubidium elem tények. Chemicool. Helyreállítva: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (2017. május 10.). Rubidium kémiai reakciók. Helyreállítva: pilgaardelements.com