RUBIDIUM: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, OPNÅELSE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den rubidium er et metalelement, der tilhører gruppe 1 i det periodiske system: alkalimetal-, er repræsenteret ved det kemiske symbol Rb. Dets navn lyder som rubin, og det skyldes, at da det blev opdaget, viste dets emissionspektrum karakteristiske linjer med dyb rød farve.

Det er et af de mest reaktive metaller, der findes. Det er den første af alkalimetallerne, der på trods af at de ikke er meget tæt, synker i vand. Det reagerer også mere eksplosivt med det sammenlignet med lithium, natrium og kalium. Der har været eksperimenter, hvor blister sprænger, hvor det opbevares (bundbillede) for at falde og eksplodere i badekar.

Ampoule med et gram rubidium opbevaret under en inert atmosfære. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

Rubidium kendetegnes ved at være et dyrere metal end guld i sig selv; ikke så meget på grund af dens knaphed, men på grund af dens brede mineralogiske fordeling i jordskorpen og de vanskeligheder, der opstår, når det isoleres fra kalium- og cæsiumforbindelser.

Det viser en klar tendens til at forbinde sig med kalium i dets mineraler, der findes som urenheder. Ikke kun i geokemiske spørgsmål danner det en duo med kalium, men også inden for biokemi.

Organismen "fejler" K ⁺ -ionerne for dem fra Rb ⁺; Rubidium er imidlertid ikke et essentielt element indtil nu, da dets rolle i stofskiftet er ukendt. Alligevel er rubidiumtilskud blevet brugt til at lindre visse medicinske tilstande såsom depression og epilepsi. På den anden side afgiver begge ioner en violet flamme i lighteren.

På grund af dets høje omkostninger er dens anvendelser ikke for meget baseret på syntesen af ​​katalysatorer eller materialer, men som en komponent til forskellige apparater med teoretiske fysiske baser. En af dem er atomuret, solceller og magnetometre. Dette er grunden til, at rubidium undertiden betragtes som et undervurderet eller undervurderet metal.

Historie

Rubidium blev opdaget i 1861 af de tyske kemikere Robert Bunsen og Gustav Kirchhoff ved hjælp af spektroskopi. For at gøre dette brugte de Bunsen-brænderen og spektroskopet, opfundet to år tidligere, samt analytiske nedbørsteknikker. Deres genstand for undersøgelse var mineralet lepidolit, hvis prøve blev opsamlet fra Sachsen, Tyskland.

De startede med 150 kg lepidolith mineral, som de er behandlet med chlorplatinsyre, H ₂ PtCl ₆, til bundfald kalium hexachloroplatinate, K ₂ PtCl ₆. Da de studerede dets spektrum ved at brænde det i Bunsen-brænderen, indså de imidlertid, at det udviste emissionslinjer, der ikke faldt sammen med noget andet element på det tidspunkt.

Emissionspektret for dette nye element er kendetegnet ved at have to veldefinerede linjer i den røde region. Derfor døbt de med navnet 'rubidus', som betyder 'mørkerød'. Senere, Bunsen og Kirchhoff lykkedes at separere Rb ₂ PtCl ₆ fra K ₂ PtCl ₆ ved fraktioneret krystallisation; for endelig at reducere det til dets kloridsalt ved hjælp af brint.

Når de tyske kemikere identificerede og isolerede et salt af det nye element rubidium, behøvede de kun at reducere det til dets metalliske tilstand. For at opnå dette prøvede de på to måder: anvendelse af elektrolyse på rubidiumchlorid eller opvarmning af et salt, der er lettere at reducere, f.eks. Dets tartrat. Således blev det metalliske rubidium født.

Fysiske og kemiske egenskaber

Udseende

Blødt, sølvgrå metal. Det er så glat, at det ligner smør. Det er normalt pakket i glasampuller, hvori en inert atmosfære dominerer, der beskytter den mod at reagere med luft.

Atomnummer (Z)

37

Molar masse

85,4767 g / mol

Smeltepunkt

39 ºC

Kogepunkt

688 ºC

Massefylde

Ved stuetemperatur: 1,532 g / cm ³

Ved smeltepunkt: 1,46 g / cm ³

Tætheden af ​​rubidium er højere end vandets, så det synker, mens den reagerer voldsomt med den.

Fusionsvarme

2,19 kJ / mol

Fordampningsvarme

69 kJ / mol

elektronegativitet

0,82 på Pauling-skalaen

Elektronisk tilknytning

46,9 kJ / mol

Ioniseringsenergier

-Først: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gasformig)

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

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

Atomradio

248 pm (empirisk)

Varmeledningsevne

58,2 W / (mK)

Elektrisk modstand

128 nΩ m ved 20 ° C

Mohs hårdhed

0,3. Derfor er selv talkum sværere end metallisk rubidium.

Reaktivitet

Flammetest for rubidium. Når det reagerer, afgiver det en violet flamme. Kilde: Didaktische.Medien

Rubidium er et af de mest reaktive alkalimetaller efter cæsium og francium. Så snart den udsættes for luften, begynder den at brænde, og hvis den rammer, skyder den lette gnister. Hvis den opvarmes, udsender den også en violet flamme (øverste billede), hvilket er en positiv test for Rb ⁺ -ioner.

Det reagerer med oxygen til dannelse af en blanding af peroxider (Rb ₂ O ₂) og superoxider (RBO ₂). Selv om det ikke reagerer med syrer og baser, reagerer det voldsomt med vand og frembringer rubidiumhydroxid og brintgas:

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

Reagerer med brint for at danne dets tilsvarende hydrid:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

Og også med halogener og svovl eksplosivt:

2RB (s) + Cl ₂ (g) => RbCI (s)

2Rb (r) + S (l) => Rb ₂ S (r)

Selvom rubidium ikke betragtes som et giftigt element, er det potentielt farligt og udgør brandfare, når det kommer i kontakt med vand og ilt.

Struktur og elektronisk konfiguration

Rubidiumatomer er arrangeret på en sådan måde, at der skabes en krystal med en kropscentreret kropsstruktur (bcc). Denne struktur er karakteristisk for alkalimetaller, der er lette og har tendens til at flyde på vand; undtagen fra rubidium ned (cæsium og francium).

I rubidium bcc-krystaller interagerer deres Rb-atomer med hinanden takket være den metalliske binding. Dette styres af et "hav af elektroner" fra dets valensskal, fra 5'erne orbital i henhold til dets elektroniske konfiguration:

5s ¹

Alle 5'erne orbitaler med deres enkelt elektron overlapper hinanden i alle dimensioner af metalliske rubidiumkrystaller. Imidlertid er disse interaktioner svage, da når man bevæger sig ned ad alkalimetallgruppen, bliver orbitalerne mere diffuse, og derfor svækkes den metalliske binding.

Derfor er smeltepunktet for rubidium 39ºC. På samme måde forklarer dets svage metalliske binding blødheden i det faste stof; så blød at det ligner sølvsmør.

Der er ikke nok bibliografiske oplysninger om opførelsen af ​​dets krystaller under højt tryk; hvis der er tættere faser med unikke egenskaber såsom natrium.

Oxidationsnumre

Dets elektroniske konfiguration indikerer med det samme, at rubidium stærkt har en tendens til at miste sit enkelt elektron til at blive isoelektronisk for krystalens ædelgas. Når det sker, ^dannes den monovalente kation Rb ⁺. Det siges derefter, at det i dets forbindelser har oxidationsnummer +1, når eksistensen af ​​denne kation antages.

På grund af rubidiums tendens til at oxidere, er antagelsen om, at Rb ⁺ -ioner findes i dets forbindelser, korrekt, hvilket igen angiver ionforbindelsen for disse forbindelser.

I næsten alle rubidiumforbindelser udviser det et oxidationsnummer på +1. Eksempler på dem er følgende:

-Rubidium chlorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^-)

-Rubidium hydroxid, RbOH (Rb ⁺ OH ^-)

-Rubidium carbonat, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2-)

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

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

Selvom meget sjældent, kan rubidium også have et negativt oxidationsnummer: -1 (Rb ^-). I dette tilfælde ville man tale om et "rubidid", hvis det dannede en forbindelse med et element, der var mindre elektronegativt end det, eller hvis det blev udsat for særlige og strenge forhold.

Klynger

Der er forbindelser, hvor hvert Rb-atom individuelt præsenterer oxidationsnumre med fraktionerede værdier. 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 blandt et sæt af Rb-atomer (klynger). Således i Rb ₆ O oxidation nummer i teorien ville være +1/3; mens i Rb ₉ O ₂, + 0,444 (4/9).

Klyngestruktur af Rb9O2. Kilde: Axiosaurus

Ovenfor er klyngen struktur Rb ₉ O ₂ repræsenteret ved et kugler og barer model. Bemærk, hvordan de ni Rb-atomer "omslutter" O ^2- anionerne.

Som elucubering er det som om en del af de originale metalliske rubidiumkrystaller forblev uændrede, mens de blev adskilt fra moderkrystallen. De mister elektroner i processen; dem, der er nødvendige for at tiltrække O ^2-, og den resulterende positive ladning fordeles mellem alle atomer i nævnte klynge (sæt eller aggregater af Rb-atomer).

I disse rubidiumklynger kan eksistensen af ​​Rb ⁺ derfor ikke formelt antages. Rb ₆ O og Rb ₉ O ₂ klassificeres som rubidium-suboxider, hvor denne tilsyneladende afvigelse fra at have et overskud af metalatomer i forhold til oxidanionerne er opfyldt.

Hvor man kan finde og skaffe

Jordskorpe

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

Rubidium er det 23. mest rigelige element i jordskorpen med en overflod, der kan sammenlignes med metallet zink, bly, cæsium og kobber. Detaljen er, at dets ioner er vidt diffunderet, så det ikke dominerer i noget mineral som det vigtigste metalliske element, og dets malme er også sparsomme.

Det er af denne grund, at rubidium er et meget dyrt metal, endda mere end guld i sig selv, da processen med at få fra malm er kompleks på grund af vanskeligheden ved udnyttelse deraf.

I naturen, givet sin reaktivitet, rubidium ikke findes i dets native tilstand, men som et oxid (Rb ₂ O), chlorid (RbCl) eller ledsaget af andre anioner. Dets “frie” Rb ⁺ -ioner findes i havene med en koncentration på 125 µg / L såvel som i varme kilder og floder.

Blandt mineraler fra jordskorpen, der indeholder den i en koncentration på mindre end 1%, har vi:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ AI) O ₆ nH ₂ O

-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, K (Mg, Fe) ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH, F) ₂

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Geokemisk forening

Alle disse mineraler har en eller to ting til fælles: de er silicater af kalium, cæsium eller lithium, eller de er mineralske salte af disse metaller.

Dette betyder, at rubidium har en stærk tendens til at forbinde med kalium og cæsium; Det kan endda erstatte kalium under krystallisation af mineraler eller klipper, som det sker i aflejringerne af pegmatitter, når magma krystalliserer. Rubidium er således et biprodukt ved udnyttelse og raffinering af disse klipper og deres mineraler.

Rubidium kan også findes i almindelige klipper som granit, ler og basalt og endda i kulstofholdige aflejringer. Af alle naturlige kilder repræsenterer lepidolit dens vigtigste malm, og hvorfra den udnyttes kommercielt.

I carnalite kan derimod rubidium findes som RbCl-urenheder med et indhold på 0,035%. Og i højere koncentration er der polucit- og rubicline-aflejringer, der kan have op til 17% rubidium.

Dens geokemiske forbindelse med kalium skyldes ligheden mellem deres ioniske radier; Rb ⁺ er større end K ⁺, men forskellen i størrelser er ikke en hindring for, at førstnævnte kan erstatte sidstnævnte i dets mineralkrystaller.

Fraktioneret krystallisation

Uanset om man starter med lepidolit eller polucit eller med et af de ovennævnte mineraler, forbliver udfordringen den samme i større eller mindre grad: separat rubidium fra kalium og cæsium; det vil sige anvende blandingsseparationsteknikker, der tillader at have rubidiumforbindelser eller salte på den ene side og kalium- og cæsiumsalte på den anden side.

Dette er vanskeligt, da disse ioner (K ⁺, Rb ⁺ og Cs ⁺) har en stor kemisk lighed; De reagerer på samme måde og danner de samme salte, som næppe adskiller sig fra hinanden takket være deres densitet og opløselighed. Derfor bruges fraktioneret krystallisation, så de kan krystallisere langsomt og på en kontrolleret måde.

F.eks. Anvendes denne teknik til at adskille en blanding af carbonater og alun fra disse metaller. Omkrystallisationsprocesserne skal gentages flere gange for at garantere krystaller med større renhed og fri for co-præcipiterede ioner; et rubidiumsalt, der krystalliserer med K ⁺ eller Cs ⁺ -ioner på dets overflade eller inde.

Mere moderne teknikker, såsom brugen af ​​en ionbytterharpiks, eller kronethere som kompleksdannende stoffer, tillader også Rb ⁺ -ionerne at blive isoleret.

Elektrolyse eller reduktion

Når rubidiumsaltet er blevet adskilt og oprenset, er det næste og sidste trin at reducere Rb ⁺ -kationerne til det faste metal. For at gøre dette smeltes saltet og underkastes elektrolyse, således at rubidium udfældes på katoden; eller der bruges et stærkt reduktionsmiddel, såsom calcium og natrium, der hurtigt kan miste elektroner og således reducere rubidium.

isotoper

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

Den ⁸⁷ Rb er ansvarlig for denne metal er radioaktivt; dens stråling er imidlertid ufarlig og endda fordelagtig til dataanalyse. Dens halveringstid (t _1/2) er 4,9 · 10 ¹⁰ år, hvis tidsperiode overstiger universets alder. Når det nedbrydes, bliver det den stabile isotop ⁸⁷ Mr.

Takket være dette er denne isotop blevet brugt til at datere alderen på jordmineraler og klipper til stede siden jordens begyndelse.

Ud over ⁸⁵ Rb og ⁸⁷ Rb isotoper er der andre syntetiske og radioaktive dem med variabel og meget kortere levetid; for eksempel ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekunder), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dage), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dage) og ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dage). Af dem alle er ⁸² Rb den mest anvendte i medicinske undersøgelser.

Risici

Metal

Rubidium er et sådant reaktivt metal, at det skal opbevares i glasampuller under en inert atmosfære, så det ikke reagerer med ilt i luften. Hvis blisteret går i stykker, kan metallet anbringes i parafin eller mineralolie for at beskytte det; det vil dog ende med at blive oxideret af det ilt, der er opløst i dem, hvilket giver anledning til rubidiumperoxider.

Hvis det på den anden side besluttes at placere det på træ, for eksempel, vil det ende med at brænde med en violet flamme. Hvis der er meget luftfugtighed, brænder den bare ved at blive udsat for luften. Når en stor del af rubidium kastes i et volumen vand, eksploderer det kraftigt og antænder endda den producerede brintgas.

Derfor er rubidium et metal, som ikke alle skal håndtere, da praktisk talt alle dets reaktioner er eksplosive.

Ion

I modsætning til metallisk rubidium udgør dens Rb ⁺ -ioner ikke nogen åbenbar risiko for levende ting. Disse opløst i vand interagerer med celler på samme måde som K ⁺ -ioner gør.

Derfor har rubidium og kalium lignende biokemisk opførsel; rubidium er imidlertid ikke et væsentligt element, mens kalium er. På denne måde kan mærkbare mængder af Rb ⁺ akkumuleres inden i celler, røde blodlegemer og indvolde uden negativ indflydelse på organismet fra et dyr.

Faktisk er det vurderet, at en voksen mand med en masse på 80 kg indeholder ca. 37 mg rubidium; og at en forøgelse i denne koncentration i størrelsesordenen 50 til 100 gange derudover ikke fører til uønskede symptomer.

Imidlertid kan et overskud af Rb ⁺ -ioner ende med at fortrænge K ⁺ -ionerne; og følgelig vil individet lide meget stærke muskelspasmer indtil døden.

Naturligvis kan rubidiumsalte eller opløselige forbindelser udløse dette øjeblikkeligt, så ingen af ​​dem bør indtages. Derudover kan det forårsage forbrændinger ved simpel kontakt, og blandt de mest giftige er rubidiumfluorid (RbF), hydroxid (RbOH) og cyanid (RbCN) af rubidium.

Applikationer

Gasopsamler

Rubidium er blevet brugt til at fange eller fjerne spor af gasser, der kan være i vakuumforseglede rør. Netop på grund af deres høje tendens til at fange ilt og fugt i dem, eliminerer de dem på deres overflade som peroxider.

pyroteknik

Når rubidiumsalte brænder, afgiver de en karakteristisk rød-violet flamme. Nogle fyrværkeri har disse salte i deres sammensætning, så de eksploderer med disse farver.

Supplement

Rubidiumchlorid er blevet ordineret til bekæmpelse af depression, da undersøgelser bestemte et underskud af dette element hos personer, der lider af denne medicinske tilstand. Det er også blevet brugt som beroligende middel og til behandling af epilepsi.

Bose-Einstein kondensat

Atomer fra ⁸⁷ Rb- isotopen blev brugt til at skabe det første Bose-Einstein-kondensat. Denne stoftilstand består i, at atomer ved en temperatur, der er ganske tæt på absolut nul (0 K), er grupperet eller "kondenseret", og opfører sig som om de var en.

Rubidium var således hovedpersonen i denne triumf inden for fysikområdet, og det var Eric Cornell, Carl Wieman og Wolfgang Ketterle, der modtog Nobelprisen i 2001 takket være dette arbejde.

Tumordiagnose

Den syntetiske radioisotop ⁸² Rb nedbrydes og udsender positroner, som bruges til at akkumuleres i kaliumrige væv; såsom dem, der er placeret i hjernen eller hjertet. Det bruges derfor til at analysere hjertets funktionalitet og tilstedeværelsen af ​​mulige tumorer i hjernen ved hjælp af en positronemissionstomografi.

Komponent

Rubidiumioner har fundet et sted i forskellige typer materialer eller blandinger. For eksempel er hans legeringer lavet med guld, cæsium, kviksølv, natrium og kalium. Det er føjet til glas og keramik for at øge deres smeltepunkt.

I solceller er perovskitter tilføjet som en vigtig komponent. Ligeledes er dets mulige anvendelse som en termoelektrisk generator, varmeoverførselsmateriale i rummet, brændstof i ioniske fremdrivningsmotorer, elektrolytisk medium til alkaliske batterier og i atommagnetometre undersøgt.

Atomur

Med rubidium og cæsium er der lavet de berømte meget præcise atomur, brugt for eksempel i GPS-satellitter, som ejere af deres smartphones kan kende deres placering, mens de bevæger sig på en vej.

Referencer

1. Bond Tom. (29. oktober 2008). Rubidium. Gendannes fra: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubidium. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Rubidium. PubChem-database. CID = 5357696. Gendannes fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elementerne i livet og medicin. Filosofiske transaktioner. Serie A, Matematisk, fysisk og ingeniørvidenskab, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Foundation for Medical Education and Research. (2019). Rubidium Rb 82 (Intravenøs rute). Gendannes fra: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (Sf). Rubidium. Gendannes fra: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12. april 2019). Rubidium. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakta om rubidiumelement. Chemicool. Gendannes fra: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10. maj 2017). Rubidium kemiske reaktioner. Gendannes fra: pilgaardelements.com