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.
| Рубидий | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ← Криптон | Стронций → | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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 | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 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 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 37 | Рубидий
|
| [Kr]5s1 | |
Простое вещество рубидий — мягкий легкоплавкий щелочной металл серебристо-белого цвета[5].
История
правитьВ 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
правитьПриродная 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
правитьНазвание дано по цвету наиболее характерных красных линий спектра (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный).
Нахождение в природе
правитьМировые ресурсы рубидия
правитьСодержание 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
правитьМинералы, содержащие рубидий (лепидолит, циннвальдит, поллуцит, амазонит), находятся на территории Германии, Чехии, Словакии, Намибии, Зимбабве, Туркменистана и других странах[17].
В космосе
правитьАномально высокое содержание рубидия наблюдается в объектах Торна — Житков (состоящих из красного гиганта или сверхгиганта, внутри которого находится нейтронная звезда)[18].
Физические свойства
править
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
правитьЩелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимых.
Соединения рубидия
правитьГидроксид 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
правитьБольшую 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
правитьХотя 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 4300 дней], а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита[источник не указан 4300 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
правитьРубидий 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
правитьРубидий 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
правитьОбмен 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
правитьНедостаточность 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
правитьИоны 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
править
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
правитьВ 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
править- ↑ 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.
- ↑ 1 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.
- ↑ 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.
- ↑ Рубидий на Integral Scientist Modern Standard Periodic Table. Дата обращения: 5 августа 2009. Архивировано 5 сентября 2008 года.
- ↑ Ohly, Julius. Rubidium // Analysis, detection and commercial value of the rare metals (англ.). — Mining Science Pub. Co., 1910.
- ↑ 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. — . Архивировано 20 декабря 2021 года.
- ↑ 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. — .
- ↑ 1 2 Butterman, William C.; Brooks, William E.; Reese, Jr., Robert G. Mineral Commodity Profile: Rubidium. United States Geological Survey (2003). Дата обращения: 4 декабря 2010. Архивировано 25 сентября 2011 года.
- ↑ Press Release: The 2001 Nobel Prize in Physics. Дата обращения: 1 февраля 2010. Архивировано 30 августа 2009 года.
- ↑ 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. — .
- ↑ 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.
- ↑ 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. — .
- ↑ Мысовский Л. В., Эйхельбергер Р. А. // Доклады АН СССР. — 1930. — Т. 10, № 4.
- ↑ Мещеряков М. Г., Перфилов Н. А. Памяти Льва Владимировича Мысовского (К семидесятипятилетию со дня рождения) // Успехи физических наук. — 1963. — Т. 81. — С. 575—577. — doi:10.3367/UFNr.0081.196311g.0575. Архивировано 10 августа 2017 года.
- ↑ 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. — .
- ↑ 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.
- ↑ Рубидий — Свойства химических элементов. Дата обращения: 20 сентября 2010. Архивировано 28 сентября 2012 года.
- ↑ Подтверждено существование сверхгиганта с нейтронной звездой внутри. Дата обращения: 15 марта 2016. Архивировано 16 марта 2016 года.
- ↑ Electrical conductivity of the Elements. Дата обращения: 17 апреля 2019. Архивировано 19 апреля 2019 года.
- ↑ Reactions of Group 1 Elements with Oxygen. Дата обращения: 17 апреля 2019. Архивировано 17 апреля 2019 года.
- ↑ Лекарственные препараты при психических заболеваниях Архивная копия от 1 февраля 2014 на Wayback Machine // Научный центр психического здоровья РАМН.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- ↑ 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
править- Перельман Ф. М. Рубидий и цезий. — 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. — 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). — Москва: Металлургия, 1980. — 184 с. — 200 000 экз.
