РУБИДИЙ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПОЛУЧАВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

В рубидий е метален елемент, принадлежащ към група 1 на периодичната таблица: алкалният метал, се представят с химически символ Rb. Името му звучи подобно на рубин и е така, защото при откриването му емисионният спектър показва характерни линии с наситено червен цвят.

Това е един от най-реактивните метали, които съществуват. Той е първият от алкалните метали, който въпреки че не е много гъст, потъва във вода. Освен това той реагира с него по-експлозивно в сравнение с литий, натрий и калий. Има експерименти, при които блистери се спукват там, където се съхранява (изображение отдолу), за да паднат и да избухнат във вани.

Ампула с един грам рубидий, съхранявана в инертна атмосфера. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Рубидиумът се отличава с това, че е по-скъп метал от самото злато; не толкова заради своята оскъдица, колкото заради широкото минералогично разпределение в земната кора и трудностите, които възникват при изолирането му от калиеви и цезиеви съединения.

Той показва ясна тенденция да се свързва с калий в неговите минерали, като се намира като примеси. Не само в геохимичните въпроси образува дует с калий, но и в областта на биохимията.

Организмът "греши" K ⁺ йони за тези на Rb ⁺; обаче рубидиумът не е съществен елемент към днешна дата, тъй като ролята му в метаболизма е неизвестна. Въпреки това, рубидиевите добавки са били използвани за облекчаване на някои медицински състояния като депресия и епилепсия. От друга страна, и двата йона издават виолетов пламък в топлината на запалката.

Поради високата си цена, приложенията му не се базират твърде много на синтеза на катализатори или материали, а като компонент за различни устройства с теоретични физически основи. Един от тях са атомният часовник, слънчевите клетки и магнитометрите. Ето защо понякога рубидият се счита за недооценен или недостатъчно проучен метал.

история

Рубидиумът е открит през 1861 г. от немските химици Робърт Бунсен и Густав Кирхоф, използвайки спектроскопия. За да направят това, те използвали горелката Bunsen и спектроскопа, изобретени две години по-рано, както и аналитичните техники за валежи. Техният обект на изследване е минералът лепидолит, чиято проба е събрана от Саксония, Германия.

Те започват с 150 кг лепидолит минерална, които те лекувани с хлороплатинова киселина, Н ₂ PtCl ₆, за да се утаи калиев hexachloroplatinate, К ₂ PtCl ₆. Въпреки това, когато изследвали спектъра му, като го изгорили в горелката Bunsen, разбрали, че той показва емисионни линии, които не съвпадат с никой друг елемент по това време.

Емисионният спектър на този нов елемент се характеризира с това, че има две добре дефинирани линии в червената област. Ето защо го кръстиха с името "rubidus", което означава "тъмночервено". По-късно, бунзенова и Kirchhoff успя отделяне Rb ₂ PtCl ₆ от К ₂ PtCl ₆ чрез фракционна кристализация; накрая да го редуцира до своята хлоридна сол с помощта на водород.

Идентифицирайки и изолирайки сол на новия елемент рубидий, немските химици трябваха само да го сведат до металното му състояние. За да постигнат това, те се опитаха по два начина: прилагане на електролиза върху рубидиев хлорид или загряване на сол, която е по-лесно да се намали, като нейния тартарат. Така се роди металния рубидий.

Физични и химични свойства

Външен вид

Мек, сребристо-сив метал. Толкова е гладко, че прилича на масло. Обикновено се опакова в стъклени ампули, в които преобладава инертна атмосфера, която го предпазва от реакция с въздух.

Атомно число (Z)

37

Моларна маса

85.4678 g / mol

Точка на топене

39 ºC

Точка на кипене

688 ºC

плътност

При стайна температура: 1.532 гр / см ³

В точка на топене: 1.46 гр / см ³

Плътността на рубидия е по-висока от тази на водата, така че тя ще потъва, докато реагира бурно с нея.

Топлина от синтез

2,19 kJ / mol

Топлина от изпаряване

69 kJ / mol

Електроотрицателност

0,82 по скалата на Полинг

Електронен афинитет

46,9 kJ / mol

Йонизационни енергии

-Първо: 403 kJ / mol (Rb ⁺ газообразен)

-Второ: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ газообразни)

-Трето: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ газообразни)

Атомно радио

248 ч. (Емпирично)

Топлопроводимост

58,2 W / (m K)

Електрическо съпротивление

128 nΩ m при 20 ° C

Моос твърдост

0.3. Следователно дори талкът е по-труден от металния рубидий.

реактивност

Тест за пламък за рубидий. Когато реагира, той излъчва виолетов пламък. Източник: Didaktische.Medien

Рубидиумът е един от най-реактивните алкални метали, след цезия и франция. Веднага след като е изложен на въздуха, той започва да гори и ако бъде ударен, изстрелва леки искри. Ако се нагрява, той също излъчва виолетов пламък (горно изображение), което е положителен тест за Rb ⁺ йони.

Той реагира с кислород и образува смес от пероксиди (Rb ₂ O ₂) и супероксиди (RbO ₂). Въпреки че не реагира с киселини и основи, той реагира бурно с вода, генерирайки рубидиев хидроксид и водороден газ:

Rb (и) + H ₂ O (л) => RbOH (вод) + Н ₂ (г)

Реагира с водород, за да образува съответния му хидрид:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

А също и с халогени и сяра експлозивно:

2Rb (и) + Cl ₂ (г) => RbCl (и)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Въпреки че рубидиумът не се счита за токсичен елемент, той е потенциално опасен и създава опасност от пожар при контакт с вода и кислород.

Структура и електронна конфигурация

Рубидиевите атоми са подредени по такъв начин, че да установят кристал с кубична структура, центрирана към тялото (bcc). Тази структура е характерна за алкални метали, които са леки и са склонни да плават по вода; с изключение на рубидий надолу (цезий и франций).

В рубидий bcc кристалите техните Rb атоми взаимодействат помежду си благодарение на металната връзка. Това се управлява от "море от електрони" от неговата валентна обвивка, от орбиталата на 5s според неговата електронна конфигурация:

5s ¹

Всички 5s орбитали със своя единичен електрон се припокриват във всички измерения на метални кристали на рубидий. Тези взаимодействия обаче са слаби, тъй като докато човек се спуска през групата на алкални метали, орбиталите стават по-дифузни и следователно металната връзка отслабва.

Ето защо точката на топене на рубидия е 39ºC. По същия начин слабата му метална връзка обяснява мекотата на твърдостта му; толкова мека изглежда като сребърно масло.

Няма достатъчно библиографска информация относно поведението на неговите кристали под високо налягане; ако има по-плътни фази с уникални свойства като натрий.

Окислителни числа

Електронната му конфигурация показва веднага, че рубидиумът силно изгубва своя единичен електрон, за да се превърне в изоелектронно спрямо криптата от благороден газ. Когато това стане, ^{се формира} едновалентният катион Rb ⁺. Тогава се казва, че в съединенията си той има окислително число +1, когато се предполага наличието на този катион.

Поради склонността на рубидий да се окислява, предположението, че йони Rb ⁺ съществуват в съединенията му, е правилно, което от своя страна показва йонния характер на тези съединения.

В почти всички рубидиеви съединения той показва окислително число +1. Примери за тях са следните:

-Рубидиев хлорид, RbCl (Rb ⁺ Cl ^-)

-Рубидиев хидроксид, RbOH (Rb ⁺ OH ^-)

-Рубидиев карбонат, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2-)

-Rubidium окис, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ²)

-Rubidium супероксид, RBO ₂ (Rb ⁺ О ₂ ^-)

Въпреки че е много рядък, рубидият също може да има отрицателно окислително число: -1 (Rb ^-). В този случай може да се говори за „рубидид“, ако образува съединение с елемент, по-малко електроотрицателен от него, или ако е подложен на специални и строги условия.

клъстерите

Има съединения, където поотделно всеки Rb атом представя окислителни числа с дробни стойности. Например, в Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2-) и Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2-) положителният заряд се разпределя между набор от Rb атоми (струпвания). По този начин, в Rb ₆ O, окислителното число на теория би било +1/3; докато в Rb ₉ O ₂, + 0,444 (4/9).

Структура на клъстера на Rb9O2. Източник: Аксиозавър

По-горе е клъстерната структура на Rb ₉ O _2, представена от модел на сфери и пръти. Обърнете внимание как деветте Rb атоми „обграждат“ O ^2- анионите.

Посредством изясняване, сякаш част от оригиналните метални рубидиеви кристали остават непроменени, докато се отделят от основния кристал. Те губят електрони в процеса; тези, необходими за привличане на O ^2-, и полученият положителен заряд се разпределя между всички атоми на споменатия клъстер (набор или агрегати от Rb атоми).

Следователно в тези рубидиеви клъстери съществуването на Rb ⁺ не може да бъде официално предположено. Rb ₆ O и Rb ₉ O2 _са класифицирани като рубидиеви субоксиди, при които тази очевидна аномалия на излишък от метални атоми спрямо оксидните аниони.

Къде да намеря и получавам

Земна кора

Лепидолитна минерална проба. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Рубидий е 23-ият най-разпространен елемент в земната кора, с изобилие, сравнимо с това на металите цинк, олово, цезий и мед. Детайлът е, че нейните йони са широко дифузни, така че той не преобладава в никакъв минерал като основен метален елемент, а рудите му също са оскъдни.

Поради тази причина рубидият е много скъп метал, дори повече от самото злато, тъй като процесът му на получаване от рудите му е сложен поради трудността на неговата експлоатация.

В природата, като се има предвид неговата реактивност, рубидият не се намира в собственото си състояние, а като оксид (Rb ₂ O), хлорид (RbCl) или придружен от други аниони. Неговите „свободни“ Rb ⁺ йони се намират в моретата с концентрация 125 µg / L, както и в горещи извори и реки.

Сред минералите на земната кора, които я съдържат в концентрация по-малка от 1%, имаме:

-Леуцита, К

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) О ₆ пН ₂ О

-Carnalite, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

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

-Amazonite, Pb, Kalsi ₃ O ₈

-Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotite, К (Mg, Fe) ₃ Alsi ₃ О ₁₀ (OH, F) ₂

-Rubiclin, (Rb, K) Alsi ₃ O ₈

-Lepidolite, К (Li, Al) ₃ (Si, Al) ₄ О ₁₀ (F, OH) ₂

Геохимична асоциация

Всички тези минерали споделят едно или две неща: те са силикати на калий, цезий или литий или са минерални соли на тези метали.

Това означава, че рубидийът има силна тенденция да се свързва с калий и цезий; Той дори може да замести калия по време на кристализацията на минерали или скали, както се случва в отлаганията на пегматити, когато магмата кристализира. По този начин, рубидий е страничен продукт от експлоатацията и рафинирането на тези скали и техните минерали.

Рубидий може да се намери и в обикновени скали като гранит, глини и базалт и дори в въглеродни находища. От всички природни източници, лепидолитът представлява основната му руда и от която се експлоатира с търговска цел.

В карналита, от друга страна, рубидий може да се намери като примеси RbCl със съдържание на 0,035%. А при по-висока концентрация има полуцитни и рубиклинови отлагания, които могат да имат до 17% рубидий.

Геохимичната му връзка с калий се дължи на сходството на техните йонни радиуси; Rb ⁺ е по-голям от K ⁺, но разликата в размерите не пречи на първия да може да замести втория в неговите минерални кристали.

Фракционна кристализация

Независимо дали започвате с лепидолит или полуцит, или с някой от минералите, споменати по-горе, предизвикателството остава същото в по-голяма или по-малка степен: отделен рубидий от калий и цезий; тоест, прилагайте техники за разделяне на смеси, които позволяват от една страна да има рубидиеви съединения или соли, а от друга калиеви и цезиеви соли.

Това е трудно, тъй като тези йони (K ⁺, Rb ⁺ и Cs ⁺) имат голямо химическо сходство; Те реагират по един и същи начин, за да образуват едни и същи соли, които почти не се различават една от друга благодарение на плътността и разтворимостта си. Ето защо се използва фракционна кристализация, за да могат да кристализират бавно и контролирано.

Например, тази техника се използва за отделяне на смес от карбонати и стипца от тези метали. Процесите на прекристализация трябва да се повтарят няколко пъти, за да се гарантират кристали с по-голяма чистота и без съвместно утаени йони; рубидиева сол, която кристализира с K ⁺ или Cs ⁺ йони на нейната повърхност или вътре.

По-модерните техники като използването на йонообменна смола или коронни етери като комплексиращи агенти също позволяват изолирането на йони Rb ⁺.

Електролиза или редукция

След като рубидиевата сол се отдели и пречисти, следващата и последна стъпка е да се намалят Rb ⁺ катионите до твърдия метал. За да направите това, солта се разтопява и се подлага на електролиза, така че рубидий се утаява върху катода; или се използва силно редуциращо средство, като калций и натрий, способно бързо да губи електрони и по този начин да намалява рубидия.

Изотопи

Рубидият се намира на Земята като два природни изотопа: ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb. Първият има изобилие от 72,17%, докато вторият - 27,83%.

На ⁸⁷ Rb е отговорен за това, че са радиоактивни метал; излъчването му обаче е безобидно и дори полезно за анализ на запознанства. Времето му на полуразпад (t _1/2) е 4,9 · 10 ¹⁰ години, периодът от време надвишава възрастта на Вселената. Когато се разпада, той се превръща в стабилния изотоп ⁸⁷ Mr.

Благодарение на това този изотоп е използван за датата на възрастта на земните минерали и скали, присъстващи от началото на Земята.

В допълнение към изотопите ⁸⁵ Rb и ⁸⁷ Rb, има и други синтетични и радиоактивни такива с променлив и много по-кратък живот; например ⁸² Rb (t _1/2 = 76 секунди), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 дни), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 дни) и ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 дни). От всички тях ⁸² Rb е най-използваният в медицинските изследвания.

Рискове

метал

Рубидий е толкова реактивен метал, че трябва да се съхранява в стъклени ампули в инертна атмосфера, така че да не реагира с кислорода във въздуха. Ако блистерът се счупи, металът може да бъде поставен в керосин или минерално масло, за да го защити; обаче в крайна сметка той ще се окисли от разтворения в тях кислород, което води до пероксиди на рубидий.

Ако, от друга страна, бъде решено например да се постави върху дърво, това ще свърши горене с виолетов пламък. Ако има много влажност, тя ще изгори само като се изложи на въздуха. Когато голяма част от рубидий се хвърли в обем вода, той експлодира енергично, дори запалвайки произведения водороден газ.

Следователно, рубидий е метал, с който не всеки трябва да се справи, тъй като практически всички негови реакции са експлозивни.

йон

За разлика от металния рубидий, неговите Rb ⁺ йони не представляват видим риск за живите същества. Разтворените във вода взаимодействат с клетките по същия начин, както правят K ⁺ йони.

Следователно, рубидий и калий имат подобно биохимично поведение; обаче рубидият не е съществен елемент, докато калий е. По този начин значителни количества Rb ⁺ могат да се натрупват във вътрешността на клетките, червените кръвни клетки и вътрешностите, без това да повлияе негативно на тялото на което и да е животно.

Всъщност възрастен мъж с маса 80 кг е оценен, че съдържа около 37 мг рубидий; и че в допълнение, увеличението на тази концентрация от порядъка на 50 до 100 пъти не води до нежелани симптоми.

Излишъкът от Rb ⁺ йони може да доведе до изместване на K ⁺ йони; и вследствие на това индивидът ще претърпи много силни мускулни спазми до смърт.

Естествено, рубидиевите соли или разтворимите съединения могат да предизвикат това незабавно, така че никоя от тях не трябва да се приема. В допълнение, той може да причини изгаряния от обикновен контакт и сред най-токсичните са рубидиев флуорид (RbF), хидроксид (RbOH) и цианид (RbCN) на рубидий.

Приложения

Газов колектор

Рубидий е използван за улавяне или отстраняване на следи от газове, които могат да бъдат във вакуумно затворени тръби. Именно поради високата си склонност да улавят кислород и влага в тях, те ги елиминират на повърхността си като пероксиди.

пиротехника

Когато рубидиевите соли изгарят, те излъчват характерен червеникаво-виолетов пламък. Някои фойерверки имат тези соли в състава си, така че те експлодират с тези цветове.

добавка

Рубидиев хлорид е предписан за борба с депресията, тъй като проучванията определят дефицит на този елемент при лица, страдащи от това медицинско състояние. Използва се и като успокоително и за лечение на епилепсия.

Кондензат Бозе-Айнщайн

Атомите на ⁸⁷ Rb изотопа бяха използвани за създаване на първия кондензат Бозе-Айнщайн. Това състояние на материята се състои в това, че атомите при температура, доста близка до абсолютна нула (0 К), са групирани или "кондензирани", като се държат така, сякаш са един.

По този начин рубидиумът беше главният герой на този триумф в областта на физиката и именно Ерик Корнел, Карл Уиман и Волфганг Кетърле получиха Нобеловата награда през 2001 г. благодарение на тази работа.

Туморна диагноза

Синтетичният радиоизотоп ⁸² Rb се разпада, излъчвайки позитрони, които се използват за натрупване в тъкани, богати на калий; като тези, разположени в мозъка или сърцето. Поради това се използва за анализ на функционалността на сърцето и наличието на възможни тумори в мозъка с помощта на позитронно-емисионна томография.

Компонент

Рубидиевите йони са намерили място в различни видове материали или смеси. Например неговите сплави са направени със злато, цезий, живак, натрий и калий. Добавя се към чаши и керамика вероятно за да увеличи температурата им на топене.

В соларните клетки перовскитите са добавени като важен компонент. По същия начин е изследвана възможната му употреба като термоелектричен генератор, топлопреносен материал в космоса, гориво в йонни двигателни двигатели, електролитна среда за алкални батерии и в атомни магнитометри.

Атомни часовници

С рубидий и цезий са направени известните, високо прецизни атомни часовници, използвани например в GPS сателити, с които собствениците на техните смартфони могат да знаят местоположението им, докато се движат по път.

Препратки

1. Бонд Том. (29 октомври 2008 г.). Рубидиеви. Възстановено от: chemistryworld.com
2. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Рубидиеви. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Рубидиеви. PubChem база данни. CID = 5357696. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Елементите на живота и лекарствата. Философски транзакции. Серия A, Математически, физически и инженерни науки, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Фондация Майо за медицинско образование и изследвания. (2019). Rubidium Rb 82 (интравенозен път). Възстановено от: mayoclinic.org
7. Маркес Мигел. (SF). Рубидиеви. Възстановено от: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12 април 2019 г.). Рубидиеви. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
9. Д-р Дъг Стюарт. (2019). Факти на рубидиевия елемент. Chemicool. Възстановено от: chemicool.com
10. Майкъл Пилгард. (10 май 2017 г.). Химически реакции на рубидий. Възстановени от: pilgaardelements.com