RUBIDIJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, PRIDOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Rubidija je kovinski element, ki spada v skupino 1 periodnega: alkalijske kovine, pri čemer jih je kemijski simbol predstavlja Rb. Njegovo ime zveni podobno kot rubin, in ker je bil odkrit, je njegov emisijski spekter pokazal značilne črte temno rdeče barve.

Je ena najbolj reaktivnih kovin, ki obstajajo. Je prva od alkalijskih kovin, ki kljub temu, da ni zelo gosta, potopi v vodi. Z njim tudi reagira bolj eksplozivno v primerjavi z litijem, natrijem in kalijem. Obstajajo poskusi, v katerih pretisni omoti razpočijo tam, kjer je shranjena (slika spodaj), da padajo in eksplodirajo v kadi.

Ampula z enim gramom rubidija, shranjenega v inertni atmosferi. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Rubidium se odlikuje po tem, da je dražja kovina od samega zlata; ne toliko zaradi pomanjkanja, ampak zaradi široke mineraloške porazdelitve v zemeljski skorji in težav, ki nastanejo pri izolaciji iz kalijevih in cezijevih spojin.

Kaže jasno nagnjenost k povezovanju s kalijem v svojih mineralih, ki ga je mogoče opaziti kot nečistoče. Ne le v geokemijskih zadevah tvori duo s kalijem, ampak tudi na področju biokemije.

Organizem "zmoti" K ⁺ ione za tiste Rb ⁺ ; vendar rubidij do danes ni bistven element, saj njegova vloga v presnovi ni znana. Kljub temu so bili dodatki rubidija uporabljeni za lajšanje nekaterih zdravstvenih stanj, kot sta depresija in epilepsija. Po drugi strani oba iona oddajajo vijoličen plamen v vročini vžigalnika.

Zaradi visokih stroškov njegove aplikacije ne temeljijo preveč na sintezi katalizatorjev ali materialov, temveč kot sestavni del za različne naprave s teoretičnimi fizikalnimi osnovami. Eden od njih so atomska ura, sončne celice in magnetometri. Zato rubidij včasih veljajo za premalo ali premalo preučeno kovino.

Zgodovina

Rubidij sta leta 1861 odkrila nemška kemika Robert Bunsen in Gustav Kirchhoff s pomočjo spektroskopije. Za to so uporabili Bunsenov gorilnik in spektroskop, izumljen dve leti prej, pa tudi analitične tehnike padavin. Njihov predmet preučevanja je bil mineral lepidolit, katerega vzorec so zbrali iz Saške, Nemčija.

Začeli so s 150 kg minerala lepidolita, ki so ga obdelali s kloroplatinsko kislino, H ₂ PtCl ₆ , da smo oborili kalijev heksakloroplatinat, K ₂ PtCl ₆ . Ko pa so preučevali njegov spekter tako, da so ga zgoreli v gorilniku Bunsen, so ugotovili, da ima emisijske črte, ki v tistem času niso sovpadale z nobenim drugim elementom.

Za emisijski spekter tega novega elementa je značilno, da imata dve rdeči črti v rdečem območju. Zato so ga krstili z imenom 'rubidus', kar pomeni 'temno rdeča'. Kasneje Bunsen in Kirchhoff uspelo ločevanje Rb ₂ PTCL ₆ od K ₂ PTCL ₆ s frakcionirano kristalizacijo; da ga na koncu zmanjšamo na kloridno sol z uporabo vodika.

Nemški kemiki so morali identificirati in izolirati sol novega elementa rubidija, le da so jo zmanjšali do kovinskega stanja. Da bi to dosegli, so poskušali na dva načina: z elektrolizo na rubidijevem kloridu ali s segrevanjem soli, ki jo je lažje zmanjšati, na primer z njenim tartratom. Tako se je rodil kovinski rubidij.

Fizikalne in kemijske lastnosti

Videz

Mehka, srebrno siva kovina. Tako gladko izgleda kot maslo. Običajno je pakiran v steklene ampule, znotraj katerih prevladuje inertna atmosfera, ki jo ščiti pred reakcijo z zrakom.

Atomska številka (Z)

37

Molarna masa

85.4678 g / mol

Tališče

39 ° C

Vrelišče

688 ºC

Gostota

Pri sobni temperaturi: 1,532 g / cm ³

Tališče: 1,46 g / cm ³

Gostota rubidija je večja kot gostota vode, zato se bo med njim silovito odzval.

Vročina fuzije

2,19 kJ / mol

Toplota izparevanja

69 kJ / mol

Elektronegativnost

0,82 po Paulingovi lestvici

Elektronska afiniteta

46,9 kJ / mol

Ionizacijske energije

-Prvi: 403 kJ / mol (Rb ⁺ plinast)

-Sekunda: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ plinasti)

-Tretje: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ plinasti)

Atomski radio

248.00 (empirično)

Toplotna prevodnost

58,2 W / (m K)

Električni upor

128 nΩ m pri 20 ° C

Mohsova trdota

0,3 Zato je celo smukec težji od kovinskega rubidija.

Reaktivnost

Preskus plamena za rubidij. Ko reagira, oddaja vijoličen plamen. Vir: Didaktische.Medien

Rubidij je po ceziju in franciju ena najbolj reaktivnih alkalnih kovin. Takoj, ko je izpostavljen zraku, začne goreti, in če ga zadene, streli lahke iskre. Če se segreje, oddaja tudi vijoličen plamen (zgornja slika), kar je pozitiven test za Rb ⁺ ione .

Reagira s kisikom in tvori mešanico peroksidov (Rb ₂ O ₂ ) in superoksidov (RbO ₂ ). Čeprav ne reagira s kislinami in bazami, silovito reagira z vodo, pri čemer tvori rubidij hidroksid in vodikov plin:

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

Reagira z vodikom in tvori ustrezen hidrid:

Rb (y) + H ₂ (g) => 2RbH (y)

Pa tudi s halogeni in žveplom eksplozivno:

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (i)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S

Čeprav rubidij ne velja za strupen element, je potencialno nevaren in v stiku z vodo in kisikom predstavlja nevarnost požara.

Struktura in elektronska konfiguracija

Atomi Rubidija so razporejeni tako, da vzpostavijo kristal s telesno centrirano kubično strukturo (bcc). Ta struktura je značilna za alkalne kovine, ki so lahke in ponavadi plavajo na vodi; razen rubidij navzdol (cezij in francij).

V kristalih rubidij bcc njihovi atomi Rb medsebojno delujejo zahvaljujoč kovinski vezi. To ureja "morje elektronov" iz njegove valenčne lupine, iz orbite 5s v skladu z njeno elektronsko konfiguracijo:

5s ¹

Vse 5s orbitale se s svojim enim elektronom prekrivajo v vseh dimenzijah kovinskih kristalov rubidija. Vendar so te interakcije šibke, saj ko se gibljemo po skupini alkalnih kovin, orbitale postajajo bolj difuzne in zato kovinska vez oslabi.

Zato je tališče rubidija 39 ° C. Prav tako njegova šibka kovinska vez pojasnjuje mehkobo njegove trdnosti; tako mehko izgleda kot srebrno maslo.

Ni dovolj bibliografskih informacij o obnašanju njegovih kristalov pod velikim pritiskom; če obstajajo gostejše faze z edinstvenimi lastnostmi, kot je natrij.

Oksidacijske številke

Njegova elektronska konfiguracija naenkrat kaže, da rubidij močno izgubi svoj posamezen elektron, da postane izoelektronski v žlahtnem plinskem kriptonu. Ko to stori, ^nastane monovalentni kation Rb ⁺ . Potem je rečeno, da ima v svojih spojinah oksidacijsko številko +1, ko se domneva, da obstaja ta kation.

Zaradi nagnjenosti rubidija k oksidiranju je predpostavka, da v njegovih spojinah obstajajo ioni Rb ⁺ , kar posledično kaže na ionski značaj teh spojin.

V skoraj vseh rubidijevih spojinah ima oksidacijsko število +1. Primeri so naslednji:

-Rubidijev klorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Rubinijev hidroksid, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Rubidijev karbonat, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Rubidijev monoksid, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Rubidijev superoksid, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Čeprav je zelo redko, ima lahko rubidij tudi negativno oksidacijsko številko: -1 (Rb ^- ). V tem primeru bi govorili o "rubididu", če bi tvorili spojino z elementom, ki ni manj elektronegativen od njega, ali če bi bil podvržen posebnim in strogim pogojem.

Grozdi

Obstajajo spojine, kjer vsak Rb atom posamezno predstavlja oksidacijske številke z delnimi vrednostmi. Na primer, v Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) in Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- ) se pozitivni naboj porazdeli med niz Rb atomov (grozdov). Tako bi v Rb ₆ O teoretično število oksidacije znašalo +1/3; medtem ko je v Rb ₉ O ₂ + 0,444 (4/9).

Struktura gruče Rb9O2. Vir: Axiosaurus

Zgoraj je struktura gruče Rb ₉ O _2, ki jo predstavlja model kroglic in palic. Opomba kako devet Rb atomoma "priložiti" O ^2- anioni .

Z elukuracijo je tako, kot da bi del originalnih kovinskih kristalov rubidija ostal nespremenjen, medtem ko so bili ločeni od matičnega kristala. V tem procesu izgubijo elektrone; tiste, ki so potrebne za privabljanje O ^2- , in dobljeni pozitivni naboj se porazdeli med vse atome omenjenega grozda (množica ali agregati Rb-atomov).

V teh rubidijevih grozdih obstoja Rb ⁺ formalno ni mogoče domnevati . Rb ₆ O in Rb ₉ O _{2 sta} razvrščena med rubidijeve subokside, v katerih je izpolnjena ta navidezna anomalija presežka kovinskih atomov glede na oksidne anione.

Kje najti in pridobiti

Zemeljska skorja

Vzorec minerala iz lepidolita. Vir: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidij je 23. najpogostejši element v zemeljski skorji z obiljem, primerljivim s kovinami cinka, svinca, cezija in bakra. Podrobnosti so v tem, da so njeni ioni široko razpršeni, zato ne prevladuje v nobenem mineralu kot glavnem kovinskem elementu, njegove rude pa so tudi redke.

Zaradi tega je rubidij zelo draga kovina, celo več kot zlato samo po sebi, saj je postopek pridobivanja iz njegovih rud zapleten zaradi težavnosti njegovega izkoriščanja.

V naravi rubidij zaradi svoje reaktivnosti ne najdemo v izvornem stanju, temveč kot oksid (Rb ₂ O), klorid (RbCl) ali spremljajo drugi anioni. Njeni "prosti" ioni Rb ⁺ najdemo v morjih s koncentracijo 125 µg / L, pa tudi v vročih izvirih in rekah.

Med minerali zemeljske skorje, ki jo vsebujejo v koncentraciji manjši od 1%, imamo:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O _C6 nH ₂ O

-Carnalite, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

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

-Amazonit, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotit, 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

Geokemijsko združenje

Vsi ti minerali imajo skupno eno ali dve stvari: gre za silikate kalija, cezija ali litija ali pa so mineralne soli teh kovin.

To pomeni, da ima rubidij močno nagnjenost k povezovanju s kalijem in cezijem; Lahko nadomesti celo kalij med kristalizacijo mineralov ali kamnin, na primer v pegmatitnih nahajališčih, ko se magma kristalizira. Tako je rubidij stranski produkt izkoriščanja in rafiniranja teh kamnin in njihovih mineralov.

Rubidij lahko najdemo tudi v običajnih kamninah, kot so granit, glina in bazalt, in celo v nahajališčih ogljika. Od vseh naravnih virov lepidolit predstavlja njegovo glavno rudo in iz katere se komercialno izkorišča.

V karnalitu pa lahko rubidij najdemo kot nečistoče RbCl z vsebnostjo 0,035%. In v večji koncentraciji so nahajališča polucita in rubiclina, ki lahko vsebujejo do 17% rubidija.

Njegova geokemična povezanost s kalijem je posledica podobnosti njihovih ionskih polmerov; Rb ⁺ je večji od K ⁺ , vendar razlika v velikostih ni ovira, da bi prvi lahko nadomestil drugega v svojih mineralnih kristalih.

Frakcijska kristalizacija

Ne glede na to, ali začnemo z lepidolitom ali polucitom ali s katerim koli od zgoraj omenjenih mineralov, izziv ostaja v večji ali manjši meri enak: ruidij ločen od kalija in cezija; to je uporaba tehnik ločevanja mešanic, ki omogočajo na eni strani rubidijeve spojine ali soli in kalijeve in cezijeve soli.

To je težko, saj imajo ti ioni (K ⁺ , Rb ⁺ in Cs ⁺ ) veliko kemijsko podobnost; Reagirajo na enak način in tvorijo iste soli, ki se med seboj komajda razlikujejo po svoji gostoti in topnosti. Zato se uporablja frakcijska kristalizacija, da lahko kristalizirajo počasi in kontrolirano.

Na primer, ta tehnika se uporablja za ločevanje mešanice karbonatov in aluma od teh kovin. Postopke prekristalizacije je treba večkrat ponoviti, da se zagotovijo kristali večje čistosti in brez soobtočenih ionov; rubidijeva sol, ki kristalizira s K ⁺ ali Cs ⁺ ioni na njeni površini ali v notranjosti.

Sodobnejše tehnike, kot je uporaba ionske izmenjevalne smole ali kronski etri kot kompleksenti, omogočajo tudi izolacijo ionov Rb ⁺ .

Elektroliza ali redukcija

Ko ločimo in očistimo rubidijevo sol, je naslednji in zadnji korak zmanjšanje Rb ⁺ kationov na trdno kovino. Da bi to naredili, sol stopimo in podvržemo elektrolizi, tako da na katodi oborimo rubidij; ali se uporablja močno reducirno sredstvo, kot sta kalcij in natrij, ki lahko hitro izgublja elektrone in s tem zmanjšuje rubidij.

Izotopi

Rubidij najdemo na Zemlji kot dva naravna izotopa: ⁸⁵ Rb in ⁸⁷ Rb. Prva ima obilo 72,17%, druga pa 27,83%.

⁸⁷ Rb je odgovoren za te kovine čemer radioaktivni; vendar je njegovo sevanje neškodljivo in celo koristno za analizo zmenkov. Njegov razpolovni čas (t _1/2 ) je 4,9 · 10 ¹⁰ let, katerega časovno obdobje presega starost vesolja. Ko razpade, postane stabilen izotop ⁸⁷ Mr.

Zahvaljujoč temu so ta izotop uporabljali za dobo starosti zemeljskih mineralov in kamnin, prisotnih od začetka Zemlje.

Poleg izotopov ⁸⁵ Rb in ⁸⁷ Rb obstajajo tudi drugi sintetični in radioaktivni z spremenljivo in veliko krajšo življenjsko dobo; na primer ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekund), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dni), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dni) in ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dni). Od vseh njih je ⁸² Rb najbolj uporabljenih v študijah medicine.

Tveganja

Kovinski

Rubidij je tako reaktivna kovina, da ga je treba shraniti v steklenih ampulah pod inertno atmosfero, da ne reagira s kisikom v zraku. Če se pretisni omot zlomi, lahko kovino damo v kerozin ali mineralno olje, da jo zaščitimo; vendar se na koncu oksidira kisik, raztopljen v njih, kar povzroči rubidijeve perokside.

Če se po drugi strani odločimo, da ga bomo denimo postavili na les, bo na koncu gorelo z vijoličnim plamenom. Če je vlaga veliko, bo zgorela samo, če je izpostavljena zraku. Ko velik del rubidija vržemo v prostornino vode, ta močno eksplodira in vname celo nastali vodikov plin.

Zato je rubidij kovina, ki je ne bi smeli obvladati vsi, saj so praktično vse njene reakcije eksplozivne.

Ion

Za razliko od kovinskega rubidija njeni ioni Rb ⁺ ne predstavljajo nobenega očitnega tveganja za živa bitja. Raztopljeni v vodi medsebojno vplivajo na celice na enak način kot K ⁺ ioni .

Zato imata rubidij in kalij podobno biokemijsko vedenje; vendar rubidij ni bistven element, medtem ko je kalij. Na ta način se lahko znotraj celic, rdečih krvnih celic in notranjih organov naberejo občutne količine Rb ^+, ne da bi to negativno vplivalo na telo katere koli živali.

Dejansko je, da naj bi odrasli moški z maso 80 kg vseboval približno 37 mg rubidija; in da poleg tega povečanje te koncentracije v vrstnem redu od 50 do 100 krat ne vodi do nezaželenih simptomov.

Vendar lahko presežek Rb ⁺ ionov izpodrine K ⁺ ione ; posledično bo posameznik do smrti trpel zelo močne mišične krče.

Očitno lahko topne ruidijeve soli ali spojine to sprožijo takoj, zato nobene od njih ne smemo zaužiti. Poleg tega lahko s preprostim stikom povzroči opekline, med najbolj strupene pa spadajo rubidijev fluorid (RbF), hidroksid (RbOH) in cianid (RbCN) rubidij.

Prijave

Zbiralnik plina

Rubidij se uporablja za zajem ali odstranjevanje sledi plinov, ki so lahko v vakuumsko zaprtih ceveh. Ravno zaradi velike nagnjenosti k zajemanju kisika in vlage v njih izločajo na svoji površini kot perokside.

Pirotehnika

Ko rubidijeve soli gorijo, oddajajo značilen rdečkasto vijoličen plamen. Nekateri ognjemeti imajo te soli v svoji sestavi, da eksplodirajo s temi barvami.

Doplačilo

Za boj proti depresiji je bil predpisan Rubidijev klorid, saj so študije ugotavljale primanjkljaj tega elementa pri posameznikih, ki trpijo zaradi tega zdravstvenega stanja. Uporablja se tudi kot pomirjevalo in za zdravljenje epilepsije.

Kondenzat Bose-Einstein

Atomi ⁸⁷ Rb izotopa so bili uporabljeni za ustvarjanje prvega kondenzata Bose-Einstein. To stanje snovi je sestavljeno iz tega, da so atomi pri temperaturi, ki je precej blizu absolutne ničle (0 K), združeni ali "kondenzirani", obnašajo se, kot da so eno.

Tako je bil rubidij glavni junak tega zmagoslavja na področju fizike, Eric Cornell, Carl Wieman in Wolfgang Ketterle pa so leta 2001 po zaslugi tega dela prejeli Nobelovo nagrado.

Diagnoza tumorjev

Sintetični radioizotop ⁸² Rb razpade in oddaja pozitrone, ki se uporabljajo za kopičenje v tkivih, bogatih s kalijem; kot so tiste, ki se nahajajo v možganih ali srcu. Zato se uporablja za analizo funkcionalnosti srca in prisotnosti možnih tumorjev v možganih s pomočjo pozitronsko-emisijske tomografije.

Komponenta

Rubidijevi ioni so našli mesto v različnih vrstah materialov ali mešanic. Na primer, njegove zlitine so bile izdelane z zlatom, cezijem, živim srebrom, natrijem in kalijem. Dodano je kozarcem in keramiki, ki verjetno povečujejo tališče.

V sončnih celicah so dodali perovskite kot pomembno sestavino. Prav tako je bila proučena njegova možna uporaba kot termoelektrični generator, material za prenos toplote v vesolju, gorivo v ionskih pogonskih motorjih, elektrolitični medij za alkalne baterije in atomske magnetometre.

Atomske ure

Z rubidijem in cezijem so bile izdelane znane, zelo natančne atomske ure, ki se uporabljajo na primer v satelitih GPS, s katerimi lahko lastniki njihovih pametnih telefonov vedo, kje se premikajo po cesti.

Reference

1. Bond Tom. (29. oktober 2008). Rubidij. Pridobljeno: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
3. Wikipedija. (2019). Rubidij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2019). Rubidij. Baza podatkov PubChem. CID = 5357696 Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elementi življenja in zdravil. Filozofski posli. Serija A, Matematične, fizikalne in inženirske znanosti, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo fundacija za medicinsko izobraževanje in raziskave. (2019). Rubidium Rb 82 (Intravenska pot). Pridobljeno: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (sf). Rubidij. Pridobljeno iz: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12. april 2019). Rubidij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Dejstva o elementu Rubidij. Kemikool. Pridobljeno: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10. maj 2017). Kemične reakcije Rubidij. Pridobljeno: pilgaardelements.com