Какими свойствами обладает рубидий
| Рубидий | ||||
|---|---|---|---|---|
| ← Криптон | Стронций → | ||||
| ||||
| Мягкий, серебристо-белый щелочной металл | ||||
Образец рубидия | ||||
| Название, символ, номер | Руби́дий / Rubidium (Rb), 37 | |||
| Атомная масса (молярная масса) | 85,4678(3)[1] а. е. м. (г/моль) | |||
| Электронная конфигурация | [Kr] 5s1 | |||
| Радиус атома | 248 пм | |||
| 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) | |||
| Плотность (при н. у.) | 1,532 г/см³ | |||
| Температура плавления | 39,05 °C | |||
| Температура кипения | 688 °C | |||
| Уд. теплота плавления | 2,20 кДж/моль | |||
| Уд. теплота испарения | 75,8 кДж/моль | |||
| Молярная теплоёмкость | 31,1[2] Дж/(K·моль) | |||
| Молярный объём | 55,9 см³/моль | |||
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированая | |||
| Параметры решётки | 5,710 Å | |||
| Температура Дебая | [3] 56 K | |||
| Теплопроводность | (300 K) 58,2 Вт/(м·К) | |||
| Номер CAS | 7440-17-7 | |||
Руби́дий — элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы), пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 37. Обозначается символом Rb (лат. Rubidium). Простое вещество рубидий — мягкий легкоплавкий щелочной металл серебристо-белого цвета[4].
Металлический рубидий имеет сходство с металлическим калием и металлическим цезием по внешнему виду, мягкости и проводимости[5]. Рубидий не следует хранить на открытом воздухе, так как будет происходить реакция с выделением большого количества теплоты, иногда даже приводящая к воспламенению металла[6]. Рубидий является первым щелочным металлом в группе, плотность которого выше, чем у воды, поэтому он тонет, в отличие от металлов над ним в группе.
История[править | править код]
В 1861 году немецкие учёные Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт 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»[7][8].
Рубидий имел минимальную промышленную ценность до 1920-х годов[9]. 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[10], за который первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили в 2001 году Нобелевскую премию по физике[11].
Обнаружение радиоактивности рубидия[править | править код]
Природная радиоактивность рубидия была открыта Кемпбеллом и Вудом в 1906 году с помощью ионизационного метода[12] и подтверждена В. Стронгом в 1909 году с помощью фотоэмульсии[13].
В 1930 году Л. В. Мысовский и Р. А. Эйхельбергер с помощью камеры Вильсона показали, что эта радиоактивность сопровождается испусканием бета-частиц[14].
Позже было показано, что она обусловлена бета-распадом природного изотопа 87Rb.
Происхождение названия[править | править код]
Название дано по цвету наиболее характерных красных линий спектра (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный).
Нахождение в природе[править | править код]
Мировые ресурсы рубидия[править | править код]
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[15]. 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 пересчете на Rb2О)[16].
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[17]. 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 страссфуртских 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[править | править код]
Минералы, содержащие рубидий (лепидолит, циннвальдит, поллуцит, амазонит), находятся на территории Германии, Чехии, Словакии, Намибии, Зимбабве, Туркмении и других странах[18].
В космосе[править | править код]
Аномально высокое содержание рубидия наблюдается в объектах Торна — Житков (состоящих из красного гиганта или сверхгиганта, внутри которого находится нейтронная звезда)[19].
Получение[править | править код]
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.
Физические свойства[править | править код]
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 703 °C.
Удельная теплоемкость 335,2 Дж/(кг·К) [0,08 кал/(г·°С)], термический коэффициент линейного расширения 9,0⋅10−5K−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.
Химические свойства[править | править код]
Щелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимые.
Соединения рубидия[править | править код]
Гидроксид рубидия RbOH — весьма агрессивное вещество к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный RbOH разрушает большинство металлов.
Электронная конфигурация Рубидия[править | править код]
1s22s22p63s23p63d104s24p65s1
Применение[править | править код]
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[20] 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)[21]. 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 2810 дней], а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита[источник не указан 2810 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[22].
Биологическая роль[править | править код]
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[править | править код]
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[править | править код]
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[править | править код]
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.
Избыток рубидия[править | править код]
Избыток этого микроэлемента более вреден для организма, он может вызвать опасные осложнения по той простой причине, что рубидий относится к той же категории ядовитых веществ, что и мышьяк As и серная кислота H2SO4.
Основные проявления избытка рубидия в организме — протеинурия, локальное раздражение кожи и слизистых оболочек, головные боли, нарушение сна, учащённое сердцебиение.
Меры предосторожности[править | править код]
Элементарный рубидий относится к потенциально токсичным химическим веществам. 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[править | править код]
В природе существуют два изотопа рубидия[23]: 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)[24]. 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[править | править код]
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02.
- ↑ Редкол.: Зефиров Н. С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 282. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8.
- ↑ Рубидий на Integral Scientist Modern Standard Periodic Table
- ↑ Ohly, Julius. Rubidium // Analysis, detection and commercial value of the rare metals (англ.). — Mining Science Pub. Co., 1910.
- ↑ Electrical conductivity of the Elements. Дата обращения 17 апреля 2019.
- ↑ Reactions of Group 1 Elements with Oxygen. Дата обращения 17 апреля 2019.
- ↑ Kirchhoff, G. (англ.)русск.; Bunsen, R. (англ.)русск.. Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen (англ.) // Annalen der Physik und Chemie : journal. — 1861. — Vol. 189, no. 7. — P. 337—381. — doi:10.1002/andp.18611890702. — Bibcode: 1861AnP…189..337K.
- ↑ Weeks, Mary Elvira (англ.)русск.. The discovery of the elements. XIII. Some spectroscopic discoveries (англ.) // Journal of Chemical Education (англ.)русск. : journal. — 1932. — Vol. 9, no. 8. — P. 1413—1434. — doi:10.1021/ed009p1413. — Bibcode: 1932JChEd…9.1413W.
- ↑ Mineral Commodity Profiles Rubidium. United States Geological Survey. Дата обращения 13 октября 2010.
- ↑ Press Release: The 2001 Nobel Prize in Physics. Дата обращения 1 февраля 2010.
- ↑ Levi, Barbara Goss. Cornell, Ketterle, and Wieman Share Nobel Prize for Bose-Einstein Condensates (нем.) // Physics Today : magazin. — 2001. — Bd. 54, Nr. 12. — S. 14—16. — doi:10.1063/1.1445529. — Bibcode: 2001PhT….54l..14L.
- ↑ N. R. Campbell, A. Wood. The radioactivity of the alkali metals (англ.) // Proceedings of the Cambridge Philosophical Society (англ.)русск. : journal. — 1906. — Vol. XIV. — P. 15—21.
- ↑ W. W. Strong. On the Possible Radioactivity of Erbium, Potassium and Rubidium (англ.) // Physical Review : journal. — 1909. — Vol. 29, no. 2. — P. 170—173. — doi:10.1103/PhysRevSeriesI.29.170. — Bibcode: 1909PhRvI..29..170S.
- ↑ Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А. Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) (рус.) // Успехи физических наук : Сборник УФН. — М.: Российская академия наук, 1963. — Вып. Ноябрь.
- ↑ Mineral Commodity Profile: Rubidium. United States Geological Survey (2003). Дата обращения 4 декабря 2010.
- ↑ Wise, M. A. Trace element chemistry of lithium-rich micas from rare-element granitic pegmatites (англ.) // Mineralogy and Petrology : journal. — 1995. — Vol. 55, no. 13. — P. 203—215. — doi:10.1007/BF01162588. — Bibcode: 1995MinPe..55..203W.
- ↑ Norton, J. J. Lithium, cesium, and rubidium—The rare alkali metals // United States mineral resources (неопр.) / Brobst, D. A.; Pratt, W. P.. — U.S. Geological Survey Professional, 1973. — Т. Paper 820. — С. 365—378.
- ↑ Рубидий — Свойства химических элементов
- ↑ Подтверждено существование сверхгиганта с нейтронной звездой внутри
- ↑ Лекарственные препараты при психических заболеваниях // Научный центр психического здоровья РАМН.
- ↑ Holleman, Arnold F.; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils. Vergleichende Übersicht über die Gruppe der Alkalimetalle // Lehrbuch der Anorganischen Chemie (нем.). — 91–100. — Walter de Gruyter, 1985. — S. 953—955. — ISBN 978-3-11-007511-3.
- ↑ Koch, E.-C. Special Materials in Pyrotechnics, Part II: Application of Caesium and Rubidium Compounds in Pyrotechnics (англ.) // Journal Pyrotechnics : journal. — 2002. — Vol. 15. — P. 9—24. Архивировано 13 июля 2011 года.
- ↑ G. Audi et al. The NUBASE Evaluation of Nuclear and Decay Properties (англ.) // Nuclear Physics A : journal. — Atomic Mass Data Center, 2003. — Vol. 729, no. 1. — P. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
- ↑ Planck Collaboration. Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters (See Table 4 on page 31 of pfd) (англ.) // Astronomy and Astrophysics : journal. — 2016. — Vol. 594. — P. A13. — doi:10.1051/0004-6361/201525830. — Bibcode: 2016A&A…594A..13P. — arXiv:1502.01589.
Литература[править | править код]
- Перельман. Ф. М. Рубидий и цезий. М.: АН УССР, 1960. 140 с. с илл.
- Плющев В. Е., Степин Б. Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия. — М.-Л.: Химия, 1970. — 407 с.
- Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1971. — Т. 1. — 561 с.
Ссылки[править | править код]
- Рубидий
- Рубидий на Webelements
- Рубидий в Популярной библиотеке химических элементов
Источник