RUBIDIUM: HISTORIE, EGENSKAPER, STRUKTUR, INNHENTING, BRUK - KJEMI - 2025

Den rubidium er et metallelement som hører til gruppe 1 i det periodiske system: alkalimetall-, som representeres ved den kjemiske symbol Rb. Navnet høres ut som rubin, og det skyldes at utslippsspekteret da det ble oppdaget karakteristiske linjer med dyp rød farge.

Det er en av de mest reaktive metaller som finnes. Det er den første av alkalimetallene som til tross for at de ikke er veldig tette, synker i vann. Den reagerer også mer eksplosivt på den sammenlignet med litium, natrium og kalium. Det har vært eksperimenter der blemmer sprenges der den er lagret (bunnbilde) for å falle og eksplodere i badekar.

Ampoule med ett gram rubidium lagret under en inert atmosfære. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Rubidium utmerker seg ved å være et dyrere metall enn gull i seg selv; ikke så mye på grunn av dens knapphet, men på grunn av den brede mineralogiske fordelingen i jordskorpen og vanskene som oppstår når du isolerer den fra kalium- og cesiumforbindelser.

Det viser en tydelig tendens til å assosiere seg med kalium i mineralene, og blir funnet som urenheter. Ikke bare i geokjemiske forhold danner det en duo med kalium, men også innen biokjemi.

Organismen "feil" K ⁺ -ionene for Rb ⁺ ; Rubidium er imidlertid ikke et vesentlig element til dags dato, ettersom dens rolle i metabolismen er ukjent. Likevel er rubidiumtilskudd blitt brukt for å lindre visse medisinske tilstander som depresjon og epilepsi. På den annen side avgir begge ionene en fiolett flamme i lighteren.

På grunn av de høye kostnadene, er anvendelsene ikke for mye basert på syntesen av katalysatorer eller materialer, men som en komponent for forskjellige enheter med teoretiske fysiske baser. En av dem er atomur, solceller og magnetometre. Dette er grunnen til at rubidium noen ganger blir sett på som et undervurdert eller undervurdert metall.

Historie

Rubidium ble oppdaget i 1861 av de tyske kjemikerne Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff ved bruk av spektroskopi. For å gjøre dette brukte de Bunsen-brenneren og spektroskopet, oppfant to år tidligere, i tillegg til analytiske nedbørsteknikker. Studiens formål var mineralet lepidolitt, hvis prøve ble samlet inn fra Sachsen, Tyskland.

De startet med 150 kg lepidolitt-mineral, som de behandlet med kloroplatinsyre, H ₂ PtCl ₆ , for å utfelle kaliumheksakloroplatinat, K ₂ PtCl ₆ . Da de studerte spekteret ved å brenne det i Bunsen-brenneren, skjønte de imidlertid at det viste utslippslinjer som ikke var sammenfallende med noe annet element på den tiden.

Utslippsspekteret til dette nye elementet er preget av å ha to veldefinerte linjer i den røde regionen. Derfor døpte de det med navnet 'rubidus' som betyr 'mørkerødt'. Senere lyktes Bunsen og Kirchhoff å skille Rb ₂ PtCl ₆ fra K ₂ PtCl ₆ ved fraksjonert krystallisasjon; for til slutt å redusere den til kloridsaltet ved å bruke hydrogen.

De tyske kjemikerne identifiserte og isolerte et salt av det nye elementet rubidium, og trengte bare å redusere det til dets metalliske tilstand. For å oppnå dette prøvde de på to måter: å bruke elektrolyse på rubidiumklorid, eller oppvarme et salt som er lettere å redusere, for eksempel dets tartrat. Dermed ble metallisk rubidium født.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Utseende

Myk, sølvgrå metall. Den er så glatt at den ser ut som smør. Den er vanligvis pakket i glassampuller, hvor en inert atmosfære dominerer som beskytter den mot å reagere med luft.

Atomnummer (Z)

37

Molmasse

85,4767 g / mol

Smeltepunkt

39 ºC

Kokepunkt

688 ºC

tetthet

Ved romtemperatur: 1,532 g / cm ³

Ved smeltepunkt: 1,46 g / cm ³

Tettheten av rubidium er høyere enn vann, så det vil synke mens den reagerer voldsomt med den.

Fusjonsvarme

2,19 kJ / mol

Fordampingsvarme

69 kJ / mol

elektro

0,82 på Pauling-skalaen

Elektronisk tilhørighet

46,9 kJ / mol

Ioniseringsenergier

-Først: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gassformig)

-Sekund: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ gassformig)

-Tredde: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ gassformig)

Atomradio

248 (empirisk)

Termisk ledningsevne

58,2 W / (m K)

Elektrisk resistivitet

128 nΩ m ved 20 ° C

Mohs hardhet

0,3. Derfor er til og med talk vanskeligere enn metallisk rubidium.

reaktivitet

Flammetest for rubidium. Når den reagerer, avgir den en fiolett flamme. Kilde: Didaktische.Medien

Rubidium er en av de mest reaktive alkalimetallene etter cesium og francium. Så snart den blir utsatt for luften, begynner den å brenne, og hvis den blir slått, skyter den lette gnister. Hvis den varmes opp, avgir den også en fiolett flamme (toppbilde), som er en positiv test for Rb ⁺ -ioner .

Det reagerer med oksygen for å danne en blanding av peroksider (Rb ₂ O ₂ ) og superoksyder (RBO ₂ ). Selv om den ikke reagerer med syrer og baser, reagerer den voldsomt med vann, og genererer rubidiumhydroksid og hydrogengass:

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

Reagerer med hydrogen for å danne det tilsvarende hydrid:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

Og også med halogener og svovel eksplosivt:

2RB (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Selv om rubidium ikke regnes som et giftig element, er det potensielt farlig og utgjør brannfare når det kommer i kontakt med vann og oksygen.

Struktur og elektronisk konfigurasjon

Rubidiumatomer er ordnet på en slik ordnet måte at de etablerer en krystall med en kroppssentrert kubisk struktur (bcc, for dets forkortelse på engelsk kroppssentrert kubikk). Denne strukturen er karakteristisk for alkalimetaller, som er lette og har en tendens til å flyte på vann; unntatt fra rubidium ned (cesium og francium).

I rubidium bcc-krystaller samvirker deres Rb-atomer med hverandre takket være den metalliske bindingen. Dette styres av et "hav av elektroner" fra dets valensskall, fra 5s-bane i henhold til dets elektroniske konfigurasjon:

5s ¹

Alle 5-talls orbitaler med sin enkelt elektron overlapper hverandre i alle dimensjoner av metalliske rubidiumkrystaller. Imidlertid er disse interaksjonene svake, siden når en beveger seg nedover alkalimetallgruppen, blir orbitalene mer diffuse, og derfor svekkes den metalliske bindingen.

Det er grunnen til at smeltepunktet for rubidium er 39 ºC. På samme måte forklarer den svake metalliske bindingen mykheten til det faste stoffet; så mykt at det ser ut som sølvsmør.

Det er ikke tilstrekkelig bibliografisk informasjon om oppførselen til krystaller under høyt trykk; hvis det er tettere faser med unike egenskaper som natrium.

Oksidasjonsnummer

Den elektroniske konfigurasjonen indikerer med en gang at rubidium sterkt har en tendens til å miste det eneste elektronet til å bli isoelektronisk for krystall av edelgass. Når det skjer, ^dannes det monovalente kation Rb ⁺ . Det sies da at det i dets forbindelser har oksidasjonsnummer +1 når eksistensen av denne kationen antas.

På grunn av rubidiums tendens til å oksidere, er antakelsen om at Rb ⁺ -ioner finnes i forbindelsene, riktig, noe som igjen indikerer ioneformen til disse forbindelsene.

I nesten alle rubidiumforbindelser har den et oksidasjonsnummer på +1. Eksempler på dem er følgende:

-Rubidium klorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Rubidium hydroksyd, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Rubidiumkarbonat, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Rubidium karbonmonoksid, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Rubidium superoksid, RBO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Selv om det er veldig sjelden, kan rubidium også ha et negativt oksidasjonsnummer: -1 (Rb ^- ). I dette tilfellet vil man snakke om et "rubidid" hvis det dannet en forbindelse med et element som var mindre elektronegativt enn det, eller hvis det ble utsatt for spesielle og strenge forhold.

klynger

Det er forbindelser hvor hvert Rb-atom individuelt har oksidasjonsnummer med fraksjonsverdier. For eksempel, i Rb ₆ O (Rb ₆ ^{2 +} O ² ) og Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- er) den positive ladning fordelt blant et sett av Rb-atomer (klynger). Således, i Rb ₆ O oksidasjons nummer i teorien ville være +1/3; mens i Rb ₉ O ₂ , + 0,444 (4/9).

Klyngestruktur av Rb9O2. Kilde: Axiosaurus

Over er klyngestrukturen til Rb ₉ O ₂ representert av en kule- og stangmodell. Legg merke til hvordan de ni Rb-atomene "omslutter" O ^2- anionene .

Som elucubering er det som om deler av de originale metalliske rubidiumkrystallene forble uendret mens de ble separert fra moderkrystallen. De mister elektroner i prosessen; de som er nødvendige for å tiltrekke O ^2- , og den resulterende positive ladningen er fordelt mellom alle atomene i nevnte klynge (sett eller aggregater av Rb-atomer).

I disse rubidiumklyngene kan således ikke Rb ⁺ formelt antas . Rb ₆ O og Rb ₉ O _{2, er} klassifisert som rubidium suboxides, hvor denne tilsynelatende uregelmessighet ved å ha et overskudd av metallatomer i forhold til de oksid anioner er oppfylt.

Hvor å finne og skaffe

jordskorpe

Lepidolitt mineralprøve. Kilde: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidium er det 23. mest tallrike elementet i jordskorpen, med en overflod som kan sammenlignes med metallet sink, bly, cesium og kobber. Detaljene er at dets ioner er vidt diffusert, så det ikke dominerer i noe mineral som det viktigste metalliske elementet, og det er også lite malm.

Det er av denne grunn at rubidium er et veldig dyrt metall, til og med mer enn gull i seg selv, siden prosessen med å hente fra malmene er kompleks på grunn av vanskeligheten med å utnytte den.

I naturen, gitt dens reaktivitet, rubidium er ikke funnet i dets naturlige tilstand, men som et oksid (Rb ₂ O), klorid (RbCl) eller sammen med andre anioner. Dens “gratis” Rb ⁺ -ioner finnes i havene med en konsentrasjon på 125 ug / l, så vel som i varme kilder og elver.

Blant mineralene i jordskorpen som inneholder den i en konsentrasjon på under 1% har vi:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Carnalite, KMgCl ₃ · 6 H ₂ O

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

-Amazonite, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotitt, K (Mg, Fe) ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH, F) ₂

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Geokjemisk forening

Alle disse mineralene har en eller to ting til felles: de er silikater av kalium, cesium eller litium, eller de er mineralsalter av disse metaller.

Dette betyr at rubidium har en sterk tendens til å assosiere seg med kalium og cesium; Det kan til og med erstatte kalium under krystallisering av mineraler eller bergarter, slik det skjer i pegmatittforekomster når magma krystalliserer. Dermed er rubidium et biprodukt av utnyttelse og raffinering av disse bergartene og mineralene derav.

Rubidium kan også finnes i vanlige bergarter som granitt, leire og basalt, og til og med i karbonholdige avsetninger. Av alle naturlige kilder representerer lepidolit sin viktigste malm og som den utnyttes kommersielt fra.

I carnalite, derimot, kan rubidium bli funnet som RbCl-urenheter med et innhold på 0,035%. Og i høyere konsentrasjon er det polucitt- og rubiklinavleiringer, som kan ha opptil 17% rubidium.

Den geokjemiske forbindelsen med kalium skyldes likheten mellom ioniske radier; Rb ⁺ er større enn K ⁺ , men forskjellen i størrelser er ikke et hinder for at førstnevnte kan erstatte sistnevnte i sine mineralkrystaller.

Fraksjonell krystallisering

Enten du starter med lepidolitt eller polucitt, eller med noen av mineralene som er nevnt ovenfor, forblir utfordringen den samme i større eller mindre grad: separer rubidium fra kalium og cesium; dvs. bruk blandingsseparasjonsteknikker som gjør det mulig å ha rubidiumforbindelser eller -salter på den ene siden, og kalium- og cesiumsalter på den andre.

Dette er vanskelig siden disse ionene (K ⁺ , Rb ⁺ og Cs ⁺ ) har en stor kjemisk likhet; De reagerer på samme måte og danner de samme saltene, som neppe skiller seg fra hverandre takket være deres tetthet og løselighet. Det er derfor fraksjonert krystallisering brukes, slik at de kan krystallisere sakte og på en kontrollert måte.

For eksempel brukes denne teknikken for å skille en blanding av karbonater og alun fra disse metaller. Omkrystalliseringsprosessene må gjentas flere ganger for å garantere krystaller med større renhet og fri for co-utfelte ioner; et rubidiumsalt som krystalliserer med K ⁺ eller Cs ⁺ -ioner på overflaten eller innsiden.

Mer moderne teknikker, for eksempel bruk av en ionebytterharpiks, eller krone etere som kompleksdannende midler, gjør det også mulig å isolere Rb ⁺ -ionene .

Elektrolyse eller reduksjon

Når rubidiumsaltet har blitt separert og renset, er neste og siste trinn å redusere Rb ⁺ -kationene til det faste metall. For å gjøre dette blir saltet smeltet og utsatt for elektrolyse for å utfelle rubidium på katoden; eller et sterkt reduksjonsmiddel brukes, så som kalsium og natrium, som raskt kan miste elektroner og dermed redusere rubidium.

isotoper

Rubidium finnes på jorden som to naturlige isotoper: ⁸⁵ Rb og ⁸⁷ Rb. Den første har en overflod på 72,17%, mens den andre på 27,83%.

Den ⁸⁷ Rb er ansvarlig for dette metall er radioaktiv; imidlertid er strålingen ufarlig og til og med gunstig for dataanalyse. Halveringstiden (t _1/2 ) er 4,9 · 10 ¹⁰ år, og tidsperioden overstiger universets alder. Når det forfaller, blir det den stabile isotop ⁸⁷ Mr.

Takket være dette har denne isotopen blitt brukt til å datere alderen på jordmineraler og bergarter som er til stede siden jordens begynnelse.

I tillegg til ⁸⁵ Rb og ⁸⁷ Rb isotoper , er det andre syntetiske og radioaktive med variabel og mye kortere levetid; for eksempel ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekunder), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dager), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dager) og ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dager). Av dem alle er ⁸² Rb den mest brukte i medisinstudier.

risiko

Metall

Rubidium er et så reaktivt metall at det må oppbevares i glassampuller under en inert atmosfære slik at det ikke reagerer med oksygen i luften. Hvis blemmen går i stykker, kan metallet legges i parafin eller mineralolje for å beskytte det; det vil imidlertid ende opp med å bli oksidert av oksygenet som er oppløst i dem, noe som gir opphav til rubidiumperoksider.

Hvis det derimot blir bestemt å plassere det på tre, vil det ende opp med å brenne med en fiolett flamme. Hvis det er mye luftfuktighet, vil den brenne bare ved å bli utsatt for luften. Når en stor del av rubidium kastes i et vannvolum, eksploderer det kraftig, til og med antenner den produserte hydrogengassen.

Derfor er rubidium et metall som ikke alle bør håndtere, siden praktisk talt alle reaksjonene er eksplosive.

ion

I motsetning til metallisk rubidium, utgjør ikke Rb ⁺ -ionene noen åpenbar risiko for levende ting. Disse oppløst i vann samhandler med celler på samme måte som K ⁺ -ioner gjør .

Derfor har rubidium og kalium lignende biokjemisk atferd; Rubidium er imidlertid ikke et vesentlig element, mens kalium er det. På denne måten kan betydelige mengder Rb ⁺ akkumuleres inne i celler, røde blodlegemer og innvollene uten at det påvirker kroppen til noe dyr negativt.

Faktisk har en voksen mann med en masse på 80 kg blitt anslått å inneholde omtrent 37 mg rubidium; og at en økning i denne konsentrasjonen i størrelsesorden 50 til 100 ganger i tillegg ikke fører til uønskede symptomer.

Imidlertid kan et overskudd av Rb ⁺ -ioner ende med å fortrenge K ⁺ -ionene ; og følgelig vil individet lide veldig sterke muskelspasmer frem til døden.

Naturligvis kan rubidiumsalter eller oppløselige forbindelser utløse dette umiddelbart, så ingen av dem bør inntas. I tillegg kan det forårsake forbrenninger ved enkel kontakt, og blant de mest giftige kan vi nevne fluorid (RbF), hydroksid (RbOH) og cyanid (RbCN) av rubidium.

applikasjoner

Gassoppsamler

Rubidium har blitt brukt til å fange opp eller fjerne spor av gasser som kan være i vakuumforseglede rør. Nettopp på grunn av deres høye tendens til å fange opp oksygen og fuktighet i dem, eliminerer de dem på overflaten som peroksider.

pyroteknikk

Når rubidiumsalter brenner, avgir de en karakteristisk rødfiolett flamme. Noen fyrverkerier har disse saltene i sin sammensetning, slik at de eksploderer med disse fargene.

supplement

Rubidiumklorid er blitt foreskrevet for å bekjempe depresjon, da studier bestemte et underskudd av dette elementet hos personer som lider av denne medisinske tilstanden. Det har også blitt brukt som beroligende middel og til å behandle epilepsi.

Bose-Einstein kondensat

Atomer av ⁸⁷ Rb- isotopen ble brukt til å lage det første Bose-Einstein-kondensatet. Denne tilstanden består i at atomer ved en temperatur ganske nær absolutt null (0 K), er gruppert eller "kondensert", og oppfører seg som om de var en.

Dermed var rubidium hovedpersonen i denne triumfen innen fysikkfeltet, og det var Eric Cornell, Carl Wieman og Wolfgang Ketterle som mottok Nobelprisen i 2001 takket være dette arbeidet.

Tumordiagnose

Den syntetiske radioisotop ⁸² Rb forfaller og avgir positroner som brukes til å samle seg i kaliumrikt vev; som de som befinner seg i hjernen eller hjertet. Det brukes derfor til å analysere funksjonaliteten til hjertet og tilstedeværelsen av mulige svulster i hjernen ved hjelp av en positronemisjonstomografi.

Komponent

Rubidiumioner har funnet et sted i forskjellige typer materialer eller blandinger. For eksempel har legeringene hans blitt laget med gull, cesium, kvikksølv, natrium og kalium. Det er lagt til glass og keramikk for å øke smeltepunktet.

I solceller er perovskitter lagt til som en viktig komponent. På samme måte er det mulig å anvende det som termoelektrisk generator, varmeoverføringsmateriale i rommet, drivstoff i ioniske fremdriftsmotorer, elektrolytisk medium for alkaliske batterier og i atommagnetometre.

Atomklokker

Med rubidium og cesium er de berømte meget presise atomklokkene blitt laget, brukt for eksempel i GPS-satellitter som eierne av smarttelefonene deres kan vite hvor de befinner seg mens de beveger seg på en vei.

referanser

1. Bond Tom. (29. oktober 2008). Rubidium. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubidium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
4. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2019). Rubidium. PubChem-databasen. CID = 5357696. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elementene i livet og medisiner. Filosofiske transaksjoner. Serie A, matematisk, fysisk og ingeniørvitenskap, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Foundation for Medical Education and Research. (2019). Rubidium Rb 82 (Intravenøs rute). Gjenopprettet fra: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (SF). Rubidium. Gjenopprettet fra: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12. april 2019). Rubidium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta om Rubidium Element. Chemicool. Gjenopprettet fra: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10. mai 2017). Rubidium Chemical Reactions. Gjenopprettet fra: pilgaardelements.com