RUBIDIUM: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, ZÍSKAVANIE, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Rubídium je kovový prvok patriaci do skupiny 1 periodickej tabuľky: soli alkalických kovov, ktoré sú reprezentované všeobecným chemickým symbolom Rb. Jeho názov znie podobne ako rubín, a to preto, že keď bolo objavené, jeho emisné spektrum vykazovalo charakteristické línie tmavočervenej farby.

Je to jeden z najreaktívnejších kovov, ktoré existujú. Je to prvý z alkalických kovov, ktorý napriek tomu, že nie je príliš hustý, klesá vo vode. Taktiež s ňou reaguje výbušnejšie v porovnaní s lítiom, sodíkom a draslíkom. Boli uskutočnené experimenty, pri ktorých pľuzgiere praskli tam, kde sú uložené (spodný obrázok), aby padli a explodovali vo vaniach.

Ampulka s jedným gramom rubídia uložená v inertnej atmosfére. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Rubidium sa vyznačuje tým, že je drahším kovom ako zlato samotné; nie toľko kvôli jeho nedostatku, ale kvôli jeho širokému mineralogickému rozloženiu v zemskej kôre a ťažkostiam, ktoré vznikajú pri jej izolácii od zlúčenín draslíka a cézia.

Vykazuje jasnú tendenciu združovať sa s draslíkom v mineráloch, ktoré sa vyskytujú ako nečistoty. Nielen v geochemických záležitostiach tvorí duo s draslíkom, ale aj v oblasti biochémie.

Tento organizmus "myluje" ióny K ⁺ s Rb ⁺ ; rubidium však doteraz nie je podstatným prvkom, pretože jeho úloha v metabolizme nie je známa. Napriek tomu sa doplnky rubídia používajú na zmiernenie určitých zdravotných stavov, ako sú depresia a epilepsia. Na druhej strane obidva ióny vydávajú v žiari zapaľovača fialový plameň.

Kvôli jeho vysokým nákladom nie sú jeho aplikácie príliš založené na syntéze katalyzátorov alebo materiálov, ale ako súčasť rôznych zariadení s teoretickými fyzikálnymi bázami. Jedným z nich sú atómové hodiny, solárne články a magnetometre. Preto je rubídium niekedy považované za podhodnotený alebo nedostatočne študovaný kov.

histórie

Rubidium objavili v roku 1861 nemeckí chemici Robert Bunsen a Gustav Kirchhoff pomocou spektroskopie. Na tento účel použili Bunsenov horák a spektroskop, ktorý bol vynájdený pred dvoma rokmi, ako aj analytické techniky zrážania. Ich predmetom skúmania bol minerálny lepidolit, ktorého vzorka sa získala zo Saska v Nemecku.

Začali sa 150 kg lepidolite minerálne, ktoré ošetrené kyselinou chloroplatičité, H ₂ PTCL ₆ , aby sa vyzrážal hexachloroplatinate draselného, K ₂ PTCL ₆ . Keď však študovali jeho spektrum spálením v Bunsenovom horáku, uvedomili si, že vykazujú emisné čiary, ktoré sa v tom čase nekryli so žiadnym iným prvkom.

Emisné spektrum tohto nového prvku sa vyznačuje dvoma dobre definovanými čiarami v červenej oblasti. Preto ho krstili menom „rubidus“, čo znamená „tmavo červená“. Neskôr, Bunsen a Kirchhoff podarilo oddeľovanie Rb ₂ PTCL ₆ z K ₂ PTCL ₆ frakčnou kryštalizáciou; nakoniec ho redukovať na svoju chloridovú soľ pomocou vodíka.

Nemeckí chemici identifikovali a izolovali soľ nového prvku rubidium. Na dosiahnutie tohto cieľa sa pokúsili dvoma spôsobmi: použitím elektrolýzy na chlorid rubidium alebo zahriatím soli, ktorá sa ľahšie redukuje, ako je napríklad vínan. Tak sa zrodilo kovové rubídium.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

vzhľad

Mäkký, strieborno-šedý kov. Je tak hladký, že vyzerá ako maslo. Zvyčajne sa balí do sklenených ampúl, v ktorých prevláda inertná atmosféra, ktorá ho chráni pred reakciou so vzduchom.

Atómové číslo (Z)

37

Molárna hmota

85,4678 g / mol

Bod topenia

39 ° C

Bod varu

688 ° C

Hustota

Pri izbovej teplote: 1,532 g / cm ³

V bodu topenia: 1,46 g / cm ³

Hustota rubídia je vyššia ako hustota vody, takže sa pri prudkej reakcii s ňou bude klesať.

Teplo fúzie

2,19 kJ / mol

Odparovacie teplo

69 kJ / mol

electronegativity

0,82 na Paulingovej stupnici

Elektronická príbuznosť

46,9 kJ / mol

Ionizačné energie

-Prvé: 403 kJ / mol (Rb ⁺ plynné)

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

-Third: 3859,4 kJ / mol ( plynný Rb ³⁺ )

Atómové rádio

24:00 (empirické)

Tepelná vodivosť

58,2 W / (m K)

Elektrický odpor

128 nΩ m pri 20 ° C

Mohsova tvrdosť

0.3. Preto je dokonca mastenec tvrdší ako kovové rídium.

reaktivita

Plameňový test na rubídium. Keď reaguje, vydáva fialový plameň. Zdroj: Didaktische.Medien

Rubidium je jedným z najreaktívnejších alkalických kovov po céziu a frankoch. Hneď ako je vystavený vzduchu, začne horieť a ak bude zasiahnutý, vystrelí ľahké iskry. Ak je zahrievaný, vydáva tiež fialový plameň (horný obrázok), čo je pozitívny test na Rb ⁺ ióny .

To reaguje s kyslíkom za vzniku zmesi peroxidov (R ₂ O ₂ ) a superoxidy (RBO ₂ ). Aj keď nereaguje s kyselinami a zásadami, prudko reaguje s vodou a vytvára hydroxid rubídium a plynný vodík:

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

Reaguje s vodíkom za vzniku svojho zodpovedajúceho hydridu:

R (y) + H ₂ (g) => 2RbH (y)

A tiež s halogénmi a sírou výbušne:

2RB (y) + Cl ₂ (g) => RbCl (y)

2RB (y) + S (l) => R ₂ S (s)

Aj keď sa rubídium nepovažuje za toxický prvok, je potenciálne nebezpečný a pri kontakte s vodou a kyslíkom predstavuje nebezpečenstvo požiaru.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Atómy rubídia sú usporiadané takým spôsobom, že vytvárajú kryštál s kubickou štruktúrou sústredenou na telo (bcc). Táto štruktúra je charakteristická pre alkalické kovy, ktoré sú ľahké a majú tendenciu vznášať sa na vode; s výnimkou rubídia (cézia a francia).

V kryštáloch rubídia bcc interagujú ich atómy Rb navzájom vďaka kovovej väzbe. Toto sa riadi „morom elektrónov“ z jeho valenčného obalu, z 5-okružnej dráhy podľa svojej elektronickej konfigurácie:

5s ¹

Všetkých 5 s orbitálov s jediným elektrónovým prekrývaním vo všetkých rozmeroch kovových rubídiových kryštálov. Tieto interakcie sú však slabé, pretože pri postupe nadol skupiny alkalických kovov sa obežné dráhy stávajú viac rozptýlenými a kovová väzba sa preto oslabuje.

Preto je teplota topenia rubídia 39 ° C. Podobne jeho slabá kovová väzba vysvetľuje mäkkosť jeho pevnej látky; tak mäkké, že vyzerá ako strieborné maslo.

Nie je dostatok bibliografických informácií o správaní sa jeho kryštálov pod vysokým tlakom; ak existujú hustejšie fázy s jedinečnými vlastnosťami, ako je napríklad sodík.

Oxidačné čísla

Jeho elektronická konfigurácia naznačuje, že rubídium má tendenciu strácať svoj jediný elektrón, aby sa stalo izoelektronickým kryptonom vzácnych plynov. Ak sa tak stane, ^vytvorí sa jednoväzbový katión Rb ⁺ . Potom sa hovorí, že vo svojich zlúčeninách má oxidačné číslo +1, keď sa predpokladá existencia tohto katiónu.

Vzhľadom na tendenciu oxidovať rubídium je predpoklad, že v jeho zlúčeninách existujú ióny Rb ^+, správny, čo zase naznačuje iónový charakter týchto zlúčenín.

Takmer vo všetkých zlúčeninách rubídia vykazuje oxidačné číslo +1. Príklady sú tieto:

-Rubidiumchlorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

- hydroxid rídiditý, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Rubidium uhličitan, R ₂ CO ₃ (R ₂ ⁺ CO ₃ ² )

-Rubidium uhoľnatý, R ₂ O (R ₂ ⁺ O ² )

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

Aj keď je rubídium veľmi zriedkavé, môže mať aj záporné oxidačné číslo: -1 (Rb ^- ). V tomto prípade by sa hovorilo o „rubidide“, ak by tvoril zmes s prvkom menej elektronegatívnym ako je ten, alebo ak by bol vystavený osobitným a prísnym podmienkam.

klastre

Existujú zlúčeniny, kde jednotlivo každý atóm Rb predstavuje oxidačné čísla s frakčnými hodnotami. Napríklad, v R ₆ O (R ₆ ²⁺ O ² ) a R ₉ O ₂ (R ₉ ⁴⁺ O ₂ ² ) kladný náboj sa rozdelí medzi sadou Rb atómov (klastrov). Tak, v Rb ₆ O číslo oxidácie teoreticky by +1/3; zatiaľ čo v Rb ₉ O ₂ , + 0,444 (4/9).

Klastrová štruktúra Rb9O2. Zdroj: Axiosaurus

Hore je štruktúra zhluk R ₉ O ₂ reprezentovaný gule a barov modelu. Všimnite si, že deväť Rb atómy "uzatvárajú" O ^2- anióny .

Na účely objasnenia je to ako keby časť pôvodných kovových kryštálov rubídia zostala nezmenená, zatiaľ čo boli oddelené od materského kryštálu. Pritom strácajú elektróny; tie, ktoré sú potrebné na prilákanie ^02- , a výsledný kladný náboj je rozdelený medzi všetky atómy uvedenej skupiny (množina alebo agregáty atómov Rb).

V týchto klastroch rubídia teda nemožno formálne predpokladať existenciu Rb ⁺ . R ₆ O a R ₉ O _{2 sú} klasifikované ako rubídia suboxidu, v ktorých je splnená táto zrejmá anomália mať prebytok atómov kovu vo vzťahu k oxidu anióny.

Kde nájsť a získať

Zemská kôra

Vzorka minerálu lepidolitu. Zdroj: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidium je 23. najhojnejším prvkom zemskej kôry, ktorého množstvo je porovnateľné s kovovým zinkom, olovom, céziom a meďou. Detail je v tom, že jeho ióny sú široko rozptýlené, takže v hlavnom kovovom prvku neprevažuje žiadny minerál a jeho rudy sú tiež vzácne.

Z tohto dôvodu je rubídium veľmi drahý kov, dokonca viac ako samotné zlato, pretože jeho proces získavania z rúd je zložitý kvôli ťažkostiam s jeho využívaním.

V prírode, vzhľadom k jeho reaktivita, rubídia nie je nájdený v jeho prirodzenom stave, ale ako oxid (R ₂ O), chlorid (RbCl) alebo spoločne s inými anióny. Jeho „voľné“ ióny Rb ⁺ sa nachádzajú v moriach s koncentráciou 125 µg / l, ako aj v horúcich prameňoch a riekach.

Medzi minerály zemskej kôry, ktoré ju obsahujú v koncentrácii menej ako 1%, máme:

-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, (R, K) AlSi ₃ O ₈

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

Geochemické združenie

Všetky tieto minerály zdieľajú jednu alebo dve spoločné veci: sú to kremičitany draslíka, cézia alebo lítia alebo sú to minerálne soli týchto kovov.

To znamená, že rubídium má silnú tendenciu spájať sa s draslíkom a céziom; Môže dokonca nahradiť draslík počas kryštalizácie minerálov alebo hornín, ako sa to deje v ložiskách pegmatitov, keď kryštalizuje magma. Rubídium je teda vedľajším produktom ťažby a rafinácie týchto hornín a ich minerálov.

Rubidium sa vyskytuje aj v bežných horninách, ako sú žula, íly a čadič, ba dokonca aj v ložiskách uhlíka. Zo všetkých prírodných zdrojov predstavuje lepidolit svoju hlavnú rudu, z ktorej sa komerčne využíva.

Na druhej strane u karnalitu sa rubídium nachádza ako RbCl nečistoty s obsahom 0,035%. A vo vyššej koncentrácii sa nachádzajú ložiská polucitu a rubicínu, ktoré môžu mať až 17% rubídia.

Jeho geochemická súvislosť s draslíkom je spôsobená podobnosťou ich iónových polomerov; Rb ⁺ je väčší ako K ⁺ , ale rozdiel vo veľkostiach nie je prekážkou toho, aby prví mohli nahradiť posledne uvedený vo svojich minerálnych kryštáloch.

Frakčná kryštalizácia

Či už ide o lepidolit alebo polucit alebo o ktorýkoľvek z vyššie uvedených minerálov, výzva zostáva rovnaká vo väčšej alebo menšej miere: separácia rubídia od draslíka a cézia; to znamená aplikovať techniky separácie zmesí, ktoré umožňujú mať na jednej strane zlúčeniny alebo soli rubídia a na strane druhej draselné a cézne soli.

Je to ťažké, pretože tieto ióny (K ⁺ , Rb ⁺ a Cs ⁺ ) majú veľkú chemickú podobnosť; Rovnakým spôsobom reagujú na rovnaké soli, ktoré sa vďaka svojim hustotám a rozpustnostiam navzájom veľmi nelíšia. Preto sa používa frakčná kryštalizácia, aby mohla kryštalizovať pomaly a kontrolovaným spôsobom.

Táto technika sa napríklad používa na oddelenie zmesi uhličitanov a kamenca od týchto kovov. Rekryštalizačné procesy sa musia opakovať niekoľkokrát, aby sa zaručili kryštály vyššej čistoty a bez ko-precipitovaných iónov; soľ rubídia, ktorá kryštalizuje s iónmi K ⁺ alebo Cs ⁺ na svojom povrchu alebo vo vnútri.

Modernejšie techniky, ako je použitie iónomeničovej živice alebo korunových éterov ako komplexotvorných činidiel, tiež umožňujú izoláciu Rb ⁺ iónov .

Elektrolýza alebo redukcia

Po oddelení a vyčistení rubídnej soli je ďalším a posledným krokom redukcia katiónov Rb ⁺ na pevný kov. Za týmto účelom sa soľ roztaví a podrobí sa elektrolýze, takže sa na katóde zráža rubídium; alebo sa používa silné redukčné činidlo, ako je vápnik a sodík, ktoré sú schopné rýchlo stratiť elektróny, a tým redukovať rubídium.

izotopy

Rubidium sa na Zemi nachádza ako dva prírodné izotopy: ⁸⁵ Rb a ⁸⁷ Rb. Prvý má početnosť 72,17%, zatiaľ čo druhý má 27,83%.

⁸⁷ Rb je zodpovedný za tento kov je rádioaktívny; jej žiarenie je však neškodné a dokonca prospešné pre analýzu dátumu. Jeho polčas rozpadu (t _1/2 ) je 4,9 · 10 ¹⁰ rokov, ktorého časové rozpätie presahuje vek vesmíru. Keď sa rozkladá, stáva sa stabilným izotopom ⁸⁷ Mr.

Vďaka tomu sa tento izotop používa k dnešnému dňu veku zemských minerálov a hornín prítomných od začiatku Zeme.

Okrem izotopov ⁸⁵ Rb a ⁸⁷ Rb existujú aj ďalšie syntetické a rádioaktívne izotopy s premenlivou a kratšou životnosťou; napríklad ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekúnd), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dní), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dní) a ⁸⁶ Rb (ti _{/ 2} = 18,7 dní). Z nich je ⁸² Rb najčastejšie používaných v lekárskych štúdiách.

riziká

kov

Rubidium je taký reaktívny kov, že sa musí uchovávať v sklenených ampulkách pod inertnou atmosférou, aby nereagoval s kyslíkom vo vzduchu. Ak sa blistre rozbijú, kov sa môže umiestniť do petroleja alebo minerálneho oleja, ktorý ho chráni; skončí však oxidáciou kyslíkom rozpusteným v nich, čo vedie k peroxidom rubídia.

Ak sa naproti tomu rozhodne umiestniť ho napríklad na drevo, skončí horením fialovým plameňom. Ak je veľa vlhkosti, zhorí tým, že je vystavený vzduchu. Keď sa veľká časť rubídia vrhne do objemu vody, prudko exploduje a dokonca zapáli vznikajúci plynný vodík.

Preto je rubídium kov, s ktorým by nemal zaobchádzať každý, pretože prakticky všetky jeho reakcie sú výbušné.

ion

Na rozdiel od kovového rubídia jeho ióny Rb ⁺ nepredstavujú žiadne zjavné riziko pre živé veci. Tieto rozpustené vo vode interagujú s bunkami rovnakým spôsobom ako K ⁺ ióny .

Preto rubidium a draslík majú podobné biochemické správanie; rubidium však nie je podstatným prvkom, zatiaľ čo draslík je. Týmto spôsobom sa značné množstvo Rb ⁺ môže akumulovať vo vnútri buniek, červených krviniek a vnútorností bez negatívneho dopadu na telo akéhokoľvek zvieraťa.

Odhaduje sa, že dospelý samec s hmotnosťou 80 kg obsahuje asi 37 mg rubídia; a že zvýšenie tejto koncentrácie rádovo 50 až 100 krát nevedie k nežiaducim symptómom.

Prebytok Rb ⁺ iónov však môže skončiť vytlačením iónov K ⁺ ; a následne bude jedinec trpieť veľmi silnými svalovými kŕčmi až do smrti.

Prirodzene to môžu soli rubídia alebo rozpustné zlúčeniny vyvolať okamžite, takže žiadna z nich by sa nemala prehltnúť. Okrem toho môže spôsobiť popáleniny jednoduchým kontaktom a medzi naj toxickejšie patria rubidiumfluorid (RbF), hydroxid (RbOH) a kyanid (RbCN) rubídia.

aplikácia

Zberač plynu

Rubidium sa používa na zachytávanie alebo odstraňovanie stôp plynov, ktoré môžu byť vo vákuovo utesnených skúmavkách. Presne kvôli ich vysokej tendencii v nich zachytávať kyslík a vlhkosť, odstraňujú ich na svojom povrchu ako peroxidy.

ohňostroj

Keď horia soli rubídia, vydávajú charakteristický červeno-fialový plameň. Niektoré ohňostroje majú tieto soli v zložení tak, aby explodovali s týmito farbami.

doplnok

Na potlačenie depresie bol predpísaný chlorid rubidium, keďže štúdie stanovili deficit tohto prvku u jedincov trpiacich týmto zdravotným stavom. Používa sa tiež ako sedatívum a na liečbu epilepsie.

Kondenzát Bose-Einstein

Atómy izotopu ⁸⁷ Rb sa použili na vytvorenie prvého kondenzátu Bose-Einstein. Tento stav hmoty spočíva v tom, že atómy pri teplote celkom blízkej absolútnej nule (0 K) sú zoskupené alebo „kondenzované“ a správajú sa, akoby boli jeden.

Preto bolo rubídium protagonistom tohto triumfu v oblasti fyziky, a vďaka tejto práci získal Nobelovu cenu v roku 2001 Eric Cornell, Carl Wieman a Wolfgang Ketterle.

Diagnóza nádoru

Syntetické rádioizotop ⁸² Rb rozpady, emitujúce pozitróny, ktoré sa používajú k akumulácii v draslík bohaté tkanív; ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v mozgu alebo srdci. Používa sa preto na analýzu funkčnosti srdca a prítomnosti možných nádorov v mozgu pomocou pozitrónovej emisnej tomografie.

komponentov

Rubidiové ióny našli miesto v rôznych druhoch materiálov alebo zmesí. Napríklad jeho zliatiny boli vyrobené zo zlata, cézia, ortuti, sodíka a draslíka. Bola pridaná do pohárov a keramiky pravdepodobne na zvýšenie ich teploty topenia.

V solárnych článkoch boli perovskity pridané ako dôležitá zložka. Študovalo sa aj možné použitie ako termoelektrický generátor, materiál na prenos tepla vo vesmíre, palivo v iónových hnacích motoroch, elektrolytické médium pre alkalické batérie a v atómových magnetometroch.

Atómové hodiny

S rubídiom a céziom boli vyrobené známe, veľmi presné atómové hodiny, ktoré sa používajú napríklad v satelitoch GPS, pomocou ktorých môžu majitelia svojich smartfónov poznať svoju polohu pri pohybe po ceste.

Referencie

1. Bond Tom. (29. októbra 2008). Rubídia. Získané z: chemistryworld.com
2. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubídia. Obnovené z: en.wikipedia.org
4. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Rubídia. PubChem Database. CID = 5357696. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Prvky života a lieky. Filozofické transakcie. Séria A, Matematické, fyzikálne a inžinierske vedy, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Foundation for Medical Education and Research. (2019). Rubidium Rb 82 (intravenózna cesta). Získané z: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (SF). Rubídia. Získané z: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12. apríla 2019). Rubídia. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
9. Doug Stewart. (2019). Fakty o rubidiu. Chemicool. Získané z: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10. mája 2017). Rubidiové chemické reakcie. Získané z: pilgaardelements.com