RUBIDIUM: HISTORIK, EGENSKAPER, STRUKTUR, ERHÅLLANDE, ANVÄNDNING - KEMI - 2025

Den rubidium är ett metallelement tillhörande grupp 1 i det periodiska systemet: alkalimetall-, representeras av den kemiska beteckningen Rb. Namnet låter liknande rubin, och det beror på att när det upptäcktes visade utsläppsspektrumet karakteristiska linjer med djup röd färg.

Det är en av de mest reaktiva metallerna som finns. Det är den första av alkalimetallerna som, trots att de inte är särskilt täta, sjunker i vatten. Den reagerar också mer explosivt jämfört med litium, natrium och kalium. Det har gjorts experiment där blåsor spricker där den lagras (bottenbild) för att falla och explodera i badkar.

Ampoule med ett gram rubidium lagrat under en inert atmosfär. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Rubidium kännetecknas av att vara en dyrare metall än själva guldet; inte så mycket på grund av dess knapphet, utan på grund av dess stora mineralogiska fördelning i jordskorpan och svårigheterna som uppstår när man isolerar den från kalium- och cesiumföreningar.

Det visar en tydlig tendens att associeras med kalium i dess mineraler, som finns som föroreningar. Inte bara i geokemiska frågor bildar det en duo med kalium, utan också inom biokemi.

Organismen "misstar" K ⁺ -jonerna för Rb ⁺ ; emellertid är rubidium inte ett väsentligt element hittills, eftersom det är okänt vilken roll det spelar i ämnesomsättningen. Trots detta har rubidiumtillskott använts för att lindra vissa medicinska tillstånd som depression och epilepsi. Å andra sidan avger båda jonerna en lila flamma i tändarens värme.

På grund av dess höga kostnader baseras dess tillämpningar inte för mycket på syntesen av katalysatorer eller material, utan som en komponent för olika anordningar med teoretiska fysiska baser. En av dem är atomklockan, solceller och magnetometrar. Detta är anledningen till att rubidium ibland betraktas som en underskattad eller undervårad metall.

Historia

Rubidium upptäcktes 1861 av de tyska kemisterna Robert Bunsen och Gustav Kirchhoff med hjälp av spektroskopi. För att göra detta använde de Bunsen-brännaren och spektroskopet, uppfann två år tidigare, samt analytiska nederbördstekniker. Deras syfte med studien var mineralet lepidolit, vars prov samlades in från Sachsen, Tyskland.

De började med 150 kg lepidolit mineral, som de behandlade med klorplatinasyra, H ₂ PtCl ₆ , till fällning kaliumhexaklorplatinat, K ₂ PtCl ₆ . Men när de studerade sitt spektrum genom att bränna det i Bunsen-brännaren insåg de att det visade utsläppslinjer som inte sammanföll med något annat element vid den tiden.

Emissionspektrumet för detta nya element kännetecknas av att ha två väldefinierade linjer i den röda regionen. Det är därför de döpt det med namnet 'rubidus' som betyder 'mörkrött'. Senare, Bunsen och Kirchhoff lyckades separera Rb ₂ PtCl ₆ från K ₂ PtCl ₆ genom fraktionerad kristallisation; för att slutligen reducera det till sitt kloridsalt med väte.

När de tyska kemisterna identifierade och isolerade ett salt av det nya elementet rubidium, behövde de bara reducera det till sitt metalliska tillstånd. För att uppnå detta försökte de på två sätt: applicera elektrolys på rubidiumklorid eller värma ett salt som är lättare att reducera, till exempel det tartrat. Således föddes metalliskt rubidium.

Fysiska och kemiska egenskaper

Utseende

Mjuk, silvergrå metall. Det är så smidigt att det ser ut som smör. Det är vanligtvis förpackat i glasampuller, inom vilket en inert atmosfär dominerar som skyddar den från att reagera med luft.

Atomnummer (Z)

37

Molmassa

85,4767 g / mol

Smältpunkt

39 ºC

Kokpunkt

688 ºC

Densitet

Vid rumstemperatur: 1,532 g / cm ³

Vid smältpunkten: 1,46 g / cm ^{^}

Tätheten av rubidium är högre än för vatten, så att den sjunker medan den reagerar våldsamt med den.

Smältvärme

2,19 kJ / mol

Förångningsvärme

69 kJ / mol

Elektronnegativitet

0,82 på Pauling-skalan

Elektronisk affinitet

46,9 kJ / mol

Ioniseringsenergier

-Först: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gasformig)

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

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

Atomradio

248 (empiriskt)

Värmeledningsförmåga

58,2 W / (mK)

Elektrisk resistans

128 nm vid 20 ° C

Mohs hårdhet

0,3. Därför är även talk hårdare än metalliskt rubidium.

Reaktivitet

Flammetest för rubidium. När den reagerar avger den en violet flamma. Källa: Didaktische.Medien

Rubidium är en av de mest reaktiva alkalimetallerna efter cesium och francium. Så snart den utsätts för luften börjar den brinna, och om den slås skjuter den ljust gnistor. Om den är uppvärmd avger den också en violet flamma (toppbild), vilket är ett positivt test för Rb ⁺ -joner .

Den reagerar med syre för att bilda en blandning av peroxider (Rb ₂ O ₂ ) och superoxider (RBO ₂ ). Även om den inte reagerar med syror och baser, reagerar den våldsamt med vatten och genererar rubidiumhydroxid och vätgas:

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

Reagerar med väte för att bilda motsvarande hydrid:

Rb (n) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

Och även med halogener och svavel explosivt:

2RB (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2RB (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Även om rubidium inte anses vara ett giftigt element, är det potentiellt farligt och utgör brandfara när det kommer i kontakt med vatten och syre.

Struktur och elektronisk konfiguration

Rubidiumatomer är anordnade på ett sådant sätt att de upprättar en kristall med en kroppcentrerad kubisk struktur (bcc). Denna struktur är karakteristisk för alkalimetaller, som är lätta och tenderar att flyta på vatten; utom från rubidium ner (cesium och francium).

I rubidium bcc-kristaller interagerar deras Rb-atomer med varandra tack vare den metalliska bindningen. Detta styrs av ett "hav av elektroner" från dess valensskal, från 5-talsbanan enligt dess elektroniska konfiguration:

5s ¹

Alla 5-talets orbitaler med sin enstaka elektron överlappar alla dimensioner av metalliska rubidiumkristaller. Dessa interaktioner är emellertid svaga, eftersom när man rör sig ner i alkalimetallgruppen blir orbitalerna mer diffusa och därför försvagas den metalliska bindningen.

Det är därför smältpunkten för rubidium är 39 ° C. På samma sätt förklarar dess svaga metalliska bindning mjukheten i dess fasta; så mjuk att det ser ut som silversmör.

Det finns inte tillräckligt med bibliografisk information om beteendet hos dess kristaller under högt tryck; om det finns tätare faser med unika egenskaper som natrium.

Oxidationsnummer

Dess elektroniska konfiguration indikerar på en gång att rubidium starkt tenderar att förlora sin enda elektron för att bli isoelektronisk för krypton av ädelgas. När det görs ^bildas den monovalenta katjonen Rb ⁺ . Det sägs sedan att det i dess föreningar har oxidationsnummer +1 när förekomsten av denna katjon antas.

På grund av rubidiums tendens att oxidera är antagandet att Rb ⁺ -joner finns i dess föreningar korrekt, vilket i sin tur indikerar joniska karaktären hos dessa föreningar.

I nästan alla rubidiumföreningar uppvisar det ett oxidationsantal på +1. Exempel på dessa är följande:

-Rubidium klorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

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

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

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

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

Även om det är mycket sällsynt, kan rubidium också ha ett negativt oxidationsnummer: -1 (Rb ^- ). I detta fall skulle man tala om en "rubidid" om den bildade en förening med ett element som är mindre elektronegativt än det, eller om det utsattes för speciella och strikta förhållanden.

kluster

Det finns föreningar där varje Rb-atom individuellt uppvisar oxidationsnummer med fraktionsvärden. Till exempel, i Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) och Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- är) den positiva laddningen fördelas bland en uppsättning av Rb-atomer (kluster). Således, i Rb ₆ O oxidationstalet i teorin skulle vara +1/3; medan i Rb ₉ O ₂ , + 0,444 (4/9).

Klusterstruktur för Rb9O2. Källa: Axiosaurus

Ovan är klusterstrukturen av Rb ₉ O ₂ representeras av en sfärer och barer modell. Lägg märke till hur de nio Rb-atomerna "omsluter" O ^2- anjonerna .

Som elucubering är det som om en del av de ursprungliga metalliska rubidiumkristallerna förblev oförändrade medan de separerades från moderkristallen. De förlorar elektroner i processen; de som är nödvändiga för att attrahera O ^2- och den resulterande positiva laddningen fördelas mellan alla atomerna i nämnda kluster (uppsättning eller aggregat av Rb-atomer).

I dessa rubidiumkluster kan således inte Rb ⁺ formellt antas . Rb ₆ O och rb ₉ O _{2 är} klassificerade som rubidium suboxider, i vilka denna skenbara anomali av att ha ett överskott av metallatomer i förhållande till oxid anjoner är uppfyllt.

Var att hitta och få

jordskorpa

Lepidolit mineralprov. Källa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidium är det 23: e rikaste elementet i jordskorpan, med ett överflöd som är jämförbart med metallen zink, bly, cesium och koppar. Detaljen är att dess joner är vida spridda, så att den inte dominerar i något mineral som det viktigaste metalliska elementet, och dess malmer är också knappa.

Det är av detta skäl som rubidium är en mycket dyr metall, till och med mer än guld själv, eftersom dess process för att erhålla från sina malmer är komplex på grund av svårigheten att utnyttja den.

I naturen, med tanke på dess reaktivitet, rubidium hittas inte i sitt naturliga tillstånd, utan som en oxid (Rb ₂ O), klorid (RbCl) eller åtföljs av andra anjoner. Dess “fria” Rb ⁺ -joner finns i haven med en koncentration av 125 μg / L, liksom i varma källor och floder.

Bland mineralerna från jordskorpan som innehåller den i en koncentration av mindre än 1% har vi:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ 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

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

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Geokemisk förening

Alla dessa mineraler har en eller två saker gemensamt: de är silikater av kalium, cesium eller litium, eller de är mineralsalter av dessa metaller.

Detta innebär att rubidium har en stark tendens att associeras med kalium och cesium; Det kan till och med ersätta kalium under kristallisationen av mineraler eller stenar, som förekommer i pegmatitavlagringar när magma kristalliseras. Således är rubidium en biprodukt av utnyttjande och förädling av dessa bergarter och deras mineraler.

Rubidium finns också i vanliga bergarter som granit, leror och basalt och till och med i kolhaltiga avlagringar. Av alla naturliga källor representerar lepidolit dess huvudmalm och från vilken den utnyttjas kommersiellt.

I carnalite kan å andra sidan rubidium återfinnas som RbCl-föroreningar med ett innehåll av 0,035%. Och i högre koncentration finns polucit- och rubiklinavlagringar, som kan ha upp till 17% rubidium.

Dess geokemiska förening med kalium beror på likheten mellan deras joniska radier; Rb ⁺ är större än K ⁺ , men skillnaden i storlekar är inte ett hinder för att den förstnämnda kan ersätta den senare i sina mineralkristaller.

Fraktionerad kristallisation

Oavsett om man börjar med lepidolit eller polucit, eller med något av de mineraler som nämns ovan, förblir utmaningen densamma i större eller mindre grad: separat rubidium från kalium och cesium; det vill säga tillämpa blandningsseparationstekniker som tillåter att ha rubidiumföreningar eller salter å ena sidan, och kalium- och cesiumsalter å andra sidan.

Detta är svårt eftersom dessa joner (K ⁺ , Rb ⁺ och Cs ⁺ ) har en stor kemisk likhet; De reagerar på samma sätt för att bilda samma salter, som knappast skiljer sig från varandra tack vare deras täthet och löslighet. Det är därför fraktionerad kristallisation används så att de kan kristallisera långsamt och på ett kontrollerat sätt.

Till exempel används denna teknik för att separera en blandning av karbonater och alun från dessa metaller. Omkristallisationsprocesserna måste upprepas flera gånger för att garantera kristaller med högre renhet och fria från samutfällda joner; ett rubidiumsalt som kristalliseras med K ⁺ eller Cs ⁺ joner på ytan eller insidan.

Mer moderna tekniker, såsom användning av ett jonbytesharts eller kronetrar som komplexbildande medel, tillåter också isolering av Rb ⁺ -joner .

Elektrolys eller reduktion

När rubidiumsaltet har separerats och renats är nästa och sista steg att reducera Rb ⁺ -katjonerna till den fasta metallen. För att göra detta smältes saltet och utsätts för elektrolys så att rubidium faller ut på katoden; eller ett starkt reduktionsmedel används, såsom kalcium och natrium, som snabbt kan förlora elektroner och därmed minska rubidium.

isotoper

Rubidium finns på jorden som två naturliga isotoper: ⁸⁵ Rb och ⁸⁷ Rb. Den första har ett överflöd på 72,17%, medan det andra på 27,83%.

Den ⁸⁷ Rb är ansvarig för denna metall är radioaktivt; emellertid är dess strålning ofarlig och till och med fördelaktig för dateringsanalys. Dess halveringstid (t _1/2 ) är 4,9 · 10 ¹⁰ år, vars tidsperiod överstiger universumets ålder. När den sönderfaller blir den den stabila isotopen ⁸⁷ Mr.

Tack vare detta har denna isotop använts för att datera tiden för jordmineraler och stenar närvarande sedan jordens början.

Förutom ⁸⁵ Rb och ⁸⁷ Rb isotoper finns det andra syntetiska och radioaktiva sådana med varierande och mycket kortare livslängder; till exempel ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekunder), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dagar), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dagar) och ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dagar). Av alla är ⁸² Rb det mest använda i medicinska studier.

risker

Metall

Rubidium är en sådan reaktiv metall att den måste förvaras i glasampuller under en inert atmosfär så att den inte reagerar med syre i luften. Om blåsan går sönder kan metallen placeras i fotogen eller mineralolja för att skydda den. emellertid kommer det att hamna oxideras av det syre som löses i dem, vilket ger upphov till rubidiumperoxider.

Om det å andra sidan beslutas att placera det på trä, till exempel, kommer det att brinna med en violett låga. Om det finns mycket fuktighet kommer den att brinna bara genom att utsättas för luften. När en stor del av rubidium kastas i en volym vatten, exploderar den kraftigt och tänder till och med den producerade vätgas.

Därför är rubidium en metall som inte alla bör hantera, eftersom praktiskt taget alla dess reaktioner är explosiva.

Jon

Till skillnad från metalliskt rubidium utgör dess Rb ⁺ -joner inte någon uppenbar risk för levande saker. Dessa löst i vatten interagerar med celler på samma sätt som K ⁺ -joner gör .

Därför har rubidium och kalium liknande biokemiska beteenden; emellertid är rubidium inte ett väsentligt element, medan kalium är det. På detta sätt kan avsevärda mängder Rb ⁺ ackumuleras inuti celler, röda blodkroppar och ryggceller utan att påverka djurets kropp negativt.

I själva verket har en vuxen hane med en massa av 80 kg uppskattats innehålla cirka 37 mg rubidium; och att en ökning av denna koncentration i storleksordningen 50 till 100 gånger dessutom inte leder till oönskade symtom.

Emellertid kan ett överskott av Rb ⁺ -joner förskjuta K ⁺ -jonerna ; och följaktligen lider individen mycket starka muskelspasmer fram till döden.

Naturligtvis kan rubidiumsalter eller lösliga föreningar utlösa detta omedelbart, så ingen av dem bör intas. Dessutom kan det orsaka brännskador genom enkel kontakt, och bland de mest giftiga är rubidiumfluorid (RbF), hydroxid (RbOH) och cyanid (RbCN) rubidium.

tillämpningar

Gasuppsamlare

Rubidium har använts för att fånga upp eller ta bort spår av gaser som kan vara i vakuumtätade rör. Precis på grund av deras stora tendens att fånga syre och fukt i dem eliminerar de dem på deras yta som peroxider.

Pyroteknik

När rubidiumsalter brinner avger de en karakteristisk rödfiolett flamma. Vissa fyrverkerier har dessa salter i sin sammansättning så att de exploderar med dessa färger.

Tillägg

Rubidiumklorid har ordinerats för att bekämpa depression, eftersom studier fastställde ett underskott av detta element hos individer som lider av detta medicinska tillstånd. Det har också använts som lugnande medel och för att behandla epilepsi.

Bose-Einstein kondensat

Atomer av ⁸⁷ Rb- isotopen användes för att skapa det första Bose-Einstein-kondensatet. Detta tillstånd består av att atomer vid en temperatur som är ganska nära absolut noll (0 K), är grupperade eller "kondenserade", och uppträder som om de vore ett.

Således var rubidium huvudpersonen för denna triumf inom fysikområdet, och det var Eric Cornell, Carl Wieman och Wolfgang Ketterle som fick Nobelpriset 2001 tack vare detta arbete.

Tumördiagnos

Den syntetiska radioisotopen ⁸² Rb sönderfaller och avger positroner, som används för att ackumuleras i kaliumrika vävnader; som de som finns i hjärnan eller hjärtat. Det används därför för att analysera hjärtans funktionalitet och förekomsten av möjliga tumörer i hjärnan med hjälp av en positronemissionstomografi.

Komponent

Rubidiumjoner har hittat en plats i olika typer av material eller blandningar. Till exempel har hans legeringar gjorts med guld, cesium, kvicksilver, natrium och kalium. Det har lagts till glas och keramik förmodligen för att öka deras smältpunkt.

I solceller har perovskiter lagts till som en viktig komponent. På samma sätt har dess möjliga användning som termoelektrisk generator, värmeöverföringsmaterial i rymden, bränsle i jonframdrivningsmotorer, elektrolytiskt medium för alkaliska batterier och i atommagnetometrar studerats.

Atomklockor

Med rubidium och cesium har de berömda, mycket exakta atomklockorna gjorts, som till exempel används i GPS-satelliter som ägarna av deras smartphones kan veta sin plats när de rör sig på en väg.

referenser

1. Bond Tom. (29 oktober 2008). Rubidium. Återställd från: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubidium. Återställd från: en.wikipedia.org
4. National Center for Biotechnology Information. (2019). Rubidium. PubChem-databas. CID = 5357696. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elementen i livet och mediciner. Filosofiska transaktioner. Serie A, matematisk, fysisk och ingenjörsvetenskap, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Foundation for Medical Education and Research. (2019). Rubidium Rb 82 (Intravenös rutt). Återställd från: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (Sf). Rubidium. Återställd från: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12 april 2019). Rubidium. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
9. Dr Doug Stewart. (2019). Rubidium Element Facts. Chemicool. Återställd från: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10 maj 2017). Rubidium Chemical Reactions. Återställd från: pilgaardelements.com