Рубидий

Рубидий
← Криптон | Стронций →
37 K ↑ Rb ↓ Cs Периодическая система элементов 37Rb
Внешний вид простого вещества
Образец рубидия
Свойства атома
Название, символ, номер	Руби́дий / Rubidium (Rb), 37
Группа, период, блок	1 (устар. IA), 5, s-элемент
Атомная масса (молярная масса)	85,4678(3)[1] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 5s^1
Радиус атома	248 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	216 пм
Радиус иона	(+1e)147 пм
Электроотрицательность	0,82 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	−2,925
Степени окисления	−1, 0, +1
Энергия ионизации (первый электрон)	402,8 (4,17) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	1,532 г/см³
Температура плавления	312,2 К (39,05 °C)
Температура кипения	961,2 К (688,0 °C)[2]
Мол. теплота плавления	2,20 кДж/моль
Мол. теплота испарения	75,8 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	31,1[3] Дж/(K·моль)
Молярный объём	55,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая объёмноцентрированая
Параметры решётки	5,710 Å
Температура Дебая	56[4] K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 58,2 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-17-7
Эмиссионный спектр
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы рубидия Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада ^83Rb синт. 86,2 сут ЭЗ ^83Kr ^84Rb синт. 32,9 сут ЭЗ ^84Kr β^+ ^84Kr β^− ^84Sr ^85Rb 72,17% стабилен - - ^86Rb синт. 18,7 сут β^− ^86Sr ^87Rb 27,83% 4,88⋅10^10  лет β^− ^87Sr

37	Рубидий
Rb 85,4678
[Kr]5s^1

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^[5].

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»^[6][7].

Рубидий имел минимальную промышленную ценность до 1920-х годов^[8]. 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^[9], за который первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили в 2001 году Нобелевскую премию по физике^[10].

Обнаружение радиоактивности рубидия

Природная радиоактивность рубидия была открыта Кемпбеллом^[англ.] и Вудом^[англ.] в 1906 году с помощью ионизационного метода^[11] и подтверждена В. Стронгом в 1909 году с помощью фотоэмульсии^[12]. В 1930 году Л. В. Мысовский и Р. А. Эйхельбергер с помощью камеры Вильсона показали, что эта радиоактивность сопровождается испусканием бета-частиц^[13][14]. Позже было показано, что она обусловлена бета-распадом природного изотопа ⁸⁷Rb.

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^[8]. 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 Rb₂О)^[15].

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^[16]. 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·MgCl₂·6H₂O. Рубидий даёт соль аналогичного состава RbCl·MgCl₂·6H₂O, 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^[17].

В космосе

Аномально высокое содержание рубидия наблюдается в объектах Торна — Житков (состоящих из красного гиганта или сверхгиганта, внутри которого находится нейтронная звезда)^[18].

Физические свойства

Герметичные эвакуированные (вакуумные) ампулы с серебристыми кристаллами высокочистого рубидия и золотистыми кристаллами высокочистого цезия

Полная электронная конфигурация рубидия: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶5s¹.

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы, имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 МН/м² (0,02 кгс/мм²).

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/см³ (0 °C), температура плавления 38,9 °C, температура кипения 688,0 °C^[2].

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^[19]. Рубидий не следует хранить на открытом воздухе, так как будет происходить реакция с выделением большого количества теплоты, иногда даже приводящая к воспламенению металла^[20]. 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 легкорастворимых.

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(SO₄)₂·12H₂O, KAl(SO₄)2·12H₂O, CsAl(SO₄)₂·12H₂O. Смесь разделяют многократной перекристаллизацией.

Рубидий также выделяют и из отработанного электролита, получающегося при получении магния из карналлита. Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках ферроцианидов железа или никеля. Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs₃[Sb₂Cl₉]. 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)
• 2Rb₂CO₃+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^[21] 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)^[22]. 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 4339 дней]}, а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита^{[источник не указан 4339 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^[23].

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 ⁸⁶Rb обнаружен у ряски Lemna polyrrhiza, а среди пресноводных беспозвоночных — Galba palustris. Физиологическая роль рубидия заключается в его способности ингибировать простагландины PGE₁ и PGE₂, PGE₂-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^[24]. 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^[25].

Меры предосторожности

4

3

2

W

NFPA 704 для рубидия

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

Основная статья: Изотопы рубидия

В природе существуют два изотопа рубидия^[26]: стабильный ⁸⁵Rb (содержание в натуральной смеси: 72,2 %) и бета-радиоактивный ⁸⁷Rb (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. Рубидий-стронциевый метод в геохронометрии). Благодаря радиоактивности ⁸⁷Rb 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

1. Meija J. et al. Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2016. — Vol. 88, no. 3. — P. 265—291. — doi:10.1515/pac-2015-0305.
2. Zhang Y., Evans J. R. G., Yang S. Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks (англ.) // Journal of Chemical & Engineering Data. — 2011. — Vol. 56, no. 2. — P. 328—337. — ISSN 0021-9568. — doi:10.1021/je1011086. [исправить]
3. Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. Н. С. Зефиров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1995. — Т. 4: Полимерные — Трипсин. — С. 282. — 639 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
4. Рубидий на Integral Scientist Modern Standard Periodic Table  (неопр.). Дата обращения: 5 августа 2009. Архивировано 5 сентября 2008 года.
5. Ohly, Julius. Rubidium // Analysis, detection and commercial value of the rare metals (англ.). — Mining Science Pub. Co., 1910.
6. Kirchhoff G., Bunsen R. Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen (нем.) // Annalen der Physik und Chemie. — 1861. — Bd. 189, Nr. 7. — S. 337—381. — doi:10.1002/andp.18611890702. — Bibcode: 1861AnP...189..337K. Архивировано 20 декабря 2021 года.
7. Weeks M. E. The discovery of the elements. XIII. Some spectroscopic discoveries (англ.) // Journal of Chemical Education^[англ.]. — 1932. — Vol. 9, no. 8. — P. 1413—1434. — doi:10.1021/ed009p1413. — Bibcode: 1932JChEd...9.1413W.
8. Butterman, William C.; Brooks, William E.; Reese, Jr., Robert G. Mineral Commodity Profile: Rubidium  (неопр.). United States Geological Survey (2003). Дата обращения: 4 декабря 2010. Архивировано 25 сентября 2011 года.
9. Press Release: The 2001 Nobel Prize in Physics  (неопр.). Дата обращения: 1 февраля 2010. Архивировано 30 августа 2009 года.
10. Levi B. G. Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose-Einstein Condensates (англ.) // Physics Today. — 2001. — Vol. 54, no. 12. — P. 14—16. — doi:10.1063/1.1445529. — Bibcode: 2001PhT....54l..14L.
11. Campbell N. R., Wood A. The radioactivity of the alkali metals (англ.) // Proceedings of the Cambridge Philosophical Society^[англ.]. — 1906. — Vol. XIV. — P. 15—21.
12. Strong W. W. On the Possible Radioactivity of Erbium, Potassium and Rubidium (англ.) // Physical Review (Series I). — 1909. — Vol. 29, no. 2. — P. 170—173. — doi:10.1103/PhysRevSeriesI.29.170. — Bibcode: 1909PhRvI..29..170S.
13. Мысовский Л. В., Эйхельбергер Р. А.  (рус.) // Доклады АН СССР. — 1930. — Т. 10, № 4.
14. Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А. Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) (рус.) // Успехи физических наук. — 1963. — Т. 81. — С. 575—577. — doi:10.3367/UFNr.0081.196311g.0575. Архивировано 10 августа 2017 года.
15. Wise M. A. Trace element chemistry of lithium-rich micas from rare-element granitic pegmatites (англ.) // Mineralogy and Petrology. — 1995. — Vol. 55, no. 13. — P. 203—215. — doi:10.1007/BF01162588. — Bibcode: 1995MinPe..55..203W.
16. Norton J. J. Lithium, cesium, and rubidium—The rare alkali metals // United States mineral resources (англ.) / D. A. Brobst, W. P. Pratt (Eds.). — U.S. Geological Survey Professional, 1973. — Vol. Paper 820. — P. 365—378.
17. Рубидий — Свойства химических элементов  (неопр.). Дата обращения: 20 сентября 2010. Архивировано 28 сентября 2012 года.
18. Подтверждено существование сверхгиганта с нейтронной звездой внутри  (неопр.). Дата обращения: 15 марта 2016. Архивировано 16 марта 2016 года.
19. Electrical conductivity of the Elements  (неопр.). Дата обращения: 17 апреля 2019. Архивировано 19 апреля 2019 года.
20. Reactions of Group 1 Elements with Oxygen  (неопр.). Дата обращения: 17 апреля 2019. Архивировано 17 апреля 2019 года.
21. Лекарственные препараты при психических заболеваниях Архивная копия от 1 февраля 2014 на Wayback Machine // Научный центр психического здоровья РАМН.
22. Holleman A. F., Wiberg E., Wiberg N. Vergleichende Übersicht über die Gruppe der Alkalimetalle // Lehrbuch der Anorganischen Chemie (нем.). — 91–100 ed.. — Walter de Gruyter, 1985. — S. 953—955. — ISBN 978-3-11-007511-3.
23. Koch E.-C. Special Materials in Pyrotechnics, Part II: Application of Caesium and Rubidium Compounds in Pyrotechnics (англ.) // Journal Pyrotechnics. — 2002. — Vol. 15. — P. 9—24. Архивировано 13 июля 2011 года.
24. Relman A. S. The Physiological Behavior of Rubidium and Cesium in Relation to That of Potassium (англ.) // The Yale Journal of Biology and Medicine. — 1956. — Vol. 29, iss. 3. — P. 248–262. — PMID 13409924. — PMC 2603856.
25. Fieve R. R., Meltzer H. L., Taylor R. M. Rubidium chloride ingestion by volunteer subjects: Initial experience (англ.) // Psychopharmacologia. — 1971. — Vol. 20, iss. 4. — P. 307–314. — doi:10.1007/BF00403562. — PMID 5561654.
26. Kondev F. G., Wang M., Huang W. J., Naimi S., Audi G. The Nubase2020 evaluation of nuclear properties (англ.) // Chinese Physics C. — 2021. — Vol. 45, iss. 3. — P. 030001-1—030001-180. — doi:10.1088/1674-1137/abddae.

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.
• Венецкий С.И. «Злой джин» (Рубидий) // О редких и рассеянных (Рассказы о металлах) (рус.). — Москва: Металлургия, 1980. — 184 с. — 200 000 экз.

Ссылки

• Рубидий
• Рубидий на Webelements
• Рубидий в Популярной библиотеке химических элементов