RUBID: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, BUDOWA, OTRZYMYWANIE, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Rubid jest pierwiastkiem metalu należącego do grup 1 okresowego: sole metali alkalicznych, jest reprezentowany przez symbol chemicznej Rb. Jego nazwa brzmi podobnie do rubinu, a to dlatego, że kiedy zostało odkryte, jego widmo emisyjne wykazywało charakterystyczne linie ciemnoczerwonej barwy.

Jest to jeden z najbardziej reaktywnych metali, jakie istnieją. Jest to pierwszy z metali alkalicznych, który pomimo niewielkiej gęstości tonie w wodzie. Reaguje z nim również bardziej wybuchowo w porównaniu z litem, sodem i potasem. Były eksperymenty, w których pęcherze pękają w miejscu przechowywania (dolne zdjęcie), by spaść i eksplodować w wannach.

Ampułka z jednym gramem rubidu przechowywana w obojętnej atmosferze. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

Rubid wyróżnia się tym, że jest droższym metalem niż samo złoto; nie tak bardzo ze względu na jego niedobór, ale z powodu jego szerokiego rozkładu mineralogicznego w skorupie ziemskiej i trudności, które pojawiają się podczas izolowania go od związków potasu i cezu.

Wykazuje wyraźną tendencję do łączenia się z potasem w swoich minerałach, będąc zanieczyszczeniami. Nie tylko w kwestiach geochemicznych tworzy duet z potasem, ale także w dziedzinie biochemii.

Organizm „myli” jony K ^{+ z} jonami Rb ⁺ ; jednakże rubid nie jest dotychczas pierwiastkiem podstawowym, ponieważ jego rola w metabolizmie nie jest znana. Mimo to, suplementy rubidu były stosowane w celu złagodzenia niektórych schorzeń, takich jak depresja i epilepsja. Z drugiej strony oba jony wydzielają fioletowy płomień w ogniu zapalniczki.

Ze względu na wysoki koszt jego zastosowania nie opierają się zbytnio na syntezie katalizatorów czy materiałów, ale jako komponent do różnych urządzeń z teoretycznymi podstawami fizycznymi. Jednym z nich jest zegar atomowy, ogniwa słoneczne i magnetometry. Dlatego czasami rubid jest uważany za metal niedoceniony lub niedostatecznie zbadany.

Historia

Rubid został odkryty w 1861 roku przez niemieckich chemików Roberta Bunsena i Gustava Kirchhoffa za pomocą spektroskopii. W tym celu wykorzystali wynaleziony dwa lata wcześniej palnik Bunsena i spektroskop, a także analityczne techniki strącania. Przedmiotem badań był minerał lepidolit, którego próbkę pobrano z Saksonii w Niemczech.

Zaczęli od 150 kg minerału lepidolitu, który potraktowali kwasem chloroplatynowym, H ₂ PtCl ₆ , aby wytrącić heksachloroplatynian potasu, K ₂ PtCl ₆ . Jednak kiedy badali jego widmo spalając je w palniku Bunsena, zdali sobie sprawę, że wykazuje on linie emisyjne, które nie pokrywały się z żadnym innym pierwiastkiem w tamtym czasie.

Widmo emisyjne tego nowego pierwiastka charakteryzuje się dwoma dobrze zdefiniowanymi liniami w czerwonym obszarze. Dlatego ochrzczono go imieniem „rubidus”, co oznacza „ciemnoczerwony”. Później Bunsen i Kirchhoff odnieśli sukces w oddzieleniu Rb ₂ PtCl ₆ od K ₂ PtCl ₆ przez frakcjonowaną krystalizację; aby ostatecznie zredukować go do soli chlorkowej za pomocą wodoru.

Identyfikując i izolując sól nowego pierwiastka rubidu, niemieccy chemicy musieli jedynie zredukować ją do stanu metalicznego. Aby to osiągnąć, próbowali na dwa sposoby: stosując elektrolizę do chlorku rubidu lub podgrzewając sól, która jest łatwiejsza do redukcji, na przykład jego winian. W ten sposób narodził się metaliczny rubid.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd

Miękki, srebrnoszary metal. Jest tak gładka, że ​​wygląda jak masło. Zwykle jest pakowany w szklane ampułki, w których dominuje obojętna atmosfera, która chroni go przed reakcją z powietrzem.

Liczba atomowa (Z)

37

Masa cząsteczkowa

85,4678 g / mol

Temperatura topnienia

39 ºC

Temperatura wrzenia

688 ºC

Gęstość

W temperaturze pokojowej: 1,532 g / cm ³

Na podstawie temperatury topnienia: 1,46 g / cm ³

Gęstość rubidu jest większa niż wody, więc będzie on tonął, reagując z nim gwałtownie.

Ciepło topnienia

2,19 kJ / mol

Ciepło parowania

69 kJ / mol

Elektroujemność

0,82 w skali Paulinga

Elektroniczne powinowactwo

46,9 kJ / mol

Energie jonizacji

-Pierwszy: 403 kJ / mol (Rb ^{+ w stanie} gazowym)

-Druga: 2632,1 kJ / mol (Rb ^{2+ w stanie} gazowym)

-Trzeci: 3859,4 kJ / mol (Rb ^{3+ w stanie} gazowym)

Radio atomowe

248 pm (empiryczna)

Przewodność cieplna

58,2 W / (m · K)

Rezystancja

128 nΩ m przy 20 ° C

Twardość Mohsa

0.3. Dlatego nawet talk jest twardszy niż metaliczny rubid.

Reaktywność

Test płomienia na rubid. Kiedy reaguje, wydziela fioletowy płomień. Źródło: Didaktische.Medien

Rubid jest jednym z najbardziej reaktywnych metali alkalicznych po cezie i franku. Gdy tylko zostanie wystawiony na działanie powietrza, zaczyna się palić, a jeśli zostanie uderzony, wystrzeliwuje lekkie iskry. Po podgrzaniu emituje również fioletowy płomień (górne zdjęcie), co jest pozytywnym wynikiem testu na jony Rb ⁺ .

Reaguje z tlenem, tworząc mieszaninę nadtlenków (Rb ₂ O ₂ ) i ponadtlenków (RbO ₂ ). Chociaż nie reaguje z kwasami i zasadami, reaguje gwałtownie z wodą, wytwarzając wodorotlenek rubidu i gazowy wodór:

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

Reaguje z wodorem, tworząc odpowiedni wodorek:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

A także z wybuchowymi halogenami i siarką:

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Chociaż rubid nie jest uważany za pierwiastek toksyczny, jest potencjalnie niebezpieczny i stwarza zagrożenie pożarowe w kontakcie z wodą i tlenem.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Atomy rubidu są ułożone w taki sposób, że tworzą kryształ o sześciennej strukturze wyśrodkowanej na ciele (bcc). Taka struktura jest charakterystyczna dla metali alkalicznych, które są lekkie i mają tendencję do unoszenia się na wodzie; z wyjątkiem puchu rubidowego (cezu i franka).

W kryształach rubidu bcc ich atomy Rb oddziałują ze sobą dzięki wiązaniu metalicznemu. Jest to zarządzane przez „morze elektronów” z jego powłoki walencyjnej, z orbity 5s zgodnie z jego konfiguracją elektroniczną:

5s ¹

Wszystkie orbitale 5s z ich pojedynczym elektronem zachodzą na siebie we wszystkich wymiarach metalicznych kryształów rubidu. Jednak te oddziaływania są słabe, ponieważ w miarę przesuwania się w dół grupy metali alkalicznych orbitale stają się bardziej rozproszone, a zatem wiązanie metaliczne słabnie.

Dlatego temperatura topnienia rubidu wynosi 39ºC. Podobnie, jego słabe wiązanie metaliczne wyjaśnia miękkość jego ciała stałego; tak miękkie, że wygląda jak srebrne masło.

Nie ma wystarczających informacji bibliograficznych dotyczących zachowania kryształów pod wysokim ciśnieniem; jeśli istnieją gęstsze fazy o wyjątkowych właściwościach, takich jak sód.

Liczby utleniania

Jego konfiguracja elektroniczna wskazuje od razu, że rubid silnie traci swój pojedynczy elektron, aby stać się izoelektronicznym w stosunku do kryptonu będącego gazem szlachetnym. Kiedy tak się dzieje, ^powstaje jednowartościowy kation Rb ⁺ . Mówi się wtedy, że w swoich związkach ma stopień utlenienia +1, gdy zakłada się istnienie tego kationu.

Ze względu na tendencję rubidu do utleniania się, założenie o obecności jonów Rb ⁺ w jego związkach jest słuszne, co z kolei wskazuje na jonowy charakter tych związków.

W prawie wszystkich związkach rubidu wykazuje stopień utlenienia +1. Oto przykłady:

-Chlorek rubidu, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Wodorotlenek rubidu, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Węglan rubidu, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Tlenek rubidu, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Nadtlenek rubidu, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Choć bardzo rzadki, rubid może mieć również ujemny stopień utlenienia: -1 (Rb ^- ). W tym przypadku można by mówić o „rubididzie”, gdyby utworzył związek z pierwiastkiem mniej elektroujemnym niż on, lub gdyby został poddany specjalnym i rygorystycznym warunkom.

Klastry

Istnieją związki, w których każdy atom Rb indywidualnie przedstawia stopnie utlenienia z wartościami ułamkowymi. Na przykład w Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) i Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- ) ładunek dodatni jest rozłożony na zbiór atomów Rb (klastry). Zatem w Rb ₆ O stopień utlenienia teoretycznie wyniesie +1/3; podczas gdy w Rb ₉ O ₂ , + 0,444 (4/9).

Struktura klastrowa Rb9O2. Źródło: Axiosaurus

Powyżej przedstawiono strukturę skupień Rb ₉ O ₂ reprezentowaną przez model sfer i prętów. Uwaga jak dziewięć atomów Rb „załączyć” O ^2- aniony .

W drodze elukubracji jest tak, jakby część oryginalnych metalicznych kryształów rubidu pozostała niezmieniona podczas oddzielania ich od kryształu macierzystego. W tym procesie tracą elektrony; niezbędne do przyciągnięcia O ^2- , a wynikający z tego ładunek dodatni jest rozłożony na wszystkie atomy wspomnianego klastra (zbiór lub skupiska atomów Rb).

Zatem w tych skupiskach rubidu nie można formalnie założyć istnienia Rb ⁺ . Rb ₆ O i Rb ₉ O _{2 są} klasyfikowane jako podtlenki rubidu, w których jest spełniona ta pozorna anomalia posiadania nadmiaru atomów metalu w stosunku do anionów tlenkowych.

Gdzie znaleźć i uzyskać

Skorupa ziemska

Próbka minerału lepidolitowego. Źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubid jest 23. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, a jego liczebność jest porównywalna z cynkiem, ołowiem, cezem i miedzią. Szczegół jest taki, że jego jony są szeroko rozproszone, więc nie dominuje w żadnym minerale jako główny pierwiastek metaliczny, a jego rudy są również rzadkie.

Z tego powodu rubid jest bardzo drogim metalem, nawet bardziej niż samo złoto, ponieważ proces jego uzyskiwania z rud jest złożony ze względu na trudność jego eksploatacji.

W naturze, biorąc pod uwagę jego reaktywność, rubid nie występuje w stanie natywnym, ale jako tlenek (Rb ₂ O), chlorek (RbCl) lub w towarzystwie innych anionów. Jego „wolne” jony Rb ⁺ znajdują się w morzach w stężeniu 125 µg / L, a także w gorących źródłach i rzekach.

Wśród minerałów skorupy ziemskiej, które zawierają ją w stężeniu poniżej 1% mamy:

-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

-Petalit, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotyt, 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

Stowarzyszenie Geochemiczne

Wszystkie te minerały mają jedną lub dwie cechy wspólne: są to krzemiany potasu, cezu lub litu albo sole mineralne tych metali.

Oznacza to, że rubid ma silną tendencję do łączenia się z potasem i cezem; Może nawet zastąpić potas podczas krystalizacji minerałów lub skał, jak to ma miejsce w osadach pegmatytów, gdy krystalizuje magma. Zatem rubid jest produktem ubocznym eksploatacji i rafinacji tych skał i ich minerałów.

Rubid można również znaleźć w zwykłych skałach, takich jak granit, gliny i bazalt, a nawet w osadach karbońskich. Ze wszystkich naturalnych źródeł lepidolit stanowi główną rudę, z której jest eksploatowany do celów handlowych.

Z kolei w karnalicie rubid można znaleźć jako zanieczyszczenia RbCl o zawartości 0,035%. W wyższych stężeniach występują osady polucytu i rubikiny, które mogą zawierać do 17% rubidu.

Jego geochemiczne powiązanie z potasem wynika z podobieństwa ich promieni jonowych; Rb ⁺ jest większe niż K ⁺ , ale różnica w rozmiarach nie jest przeszkodą dla tego pierwszego, aby był w stanie zastąpić ten drugi w kryształach mineralnych.

Krystalizacja frakcyjna

Niezależnie od tego, czy zaczynamy od lepidolitu, polucytu, czy też któregokolwiek z wyżej wymienionych minerałów, wyzwanie pozostaje takie samo w mniejszym lub większym stopniu: oddzielenie rubidu od potasu i cezu; to znaczy zastosować techniki rozdzielania mieszanin, które pozwalają na posiadanie związków lub soli rubidu z jednej strony oraz soli potasu i cezu z drugiej.

Jest to trudne, ponieważ te jony (K ⁺ , Rb ⁺ i Cs ⁺ ) mają duże podobieństwo chemiczne; Reagują w ten sam sposób, tworząc te same sole, które prawie nie różnią się od siebie dzięki swojej gęstości i rozpuszczalności. Dlatego stosuje się krystalizację frakcjonowaną, aby mogły one krystalizować powoli iw kontrolowany sposób.

Na przykład ta technika jest używana do oddzielania mieszaniny węglanów i ałunu od tych metali. Procesy rekrystalizacji należy powtarzać kilka razy, aby zapewnić kryształy o większej czystości i wolne od współstrąconych jonów; sól rubidu, która krystalizuje z jonami K ⁺ lub Cs ⁺ na swojej powierzchni lub wewnątrz.

Bardziej nowoczesne techniki, takie jak zastosowanie żywicy jonowymiennej lub eterów koronowych jako środków kompleksujących, również pozwalają na izolację jonów Rb ⁺ .

Elektroliza lub redukcja

Po oddzieleniu i oczyszczeniu soli rubidu następnym i ostatnim krokiem jest redukcja kationów Rb ⁺ do stałego metalu. W tym celu sól jest topiona i poddawana elektrolizie, tak że rubid wytrąca się na katodzie; lub stosuje się silny środek redukujący, taki jak wapń i sód, zdolny do szybkiej utraty elektronów, a tym samym do redukcji rubidu.

Izotopy

Rubid występuje na Ziemi jako dwa naturalne izotopy: ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb. W pierwszym występuje liczebność 72,17%, natomiast w drugim 27,83%.

⁸⁷ Rb jest odpowiedzialny za ten metalowe są radioaktywne; jednak jego promieniowanie jest nieszkodliwe, a nawet korzystne dla analizy datowania. Jego okres półtrwania (t _1/2 ) wynosi 4,9 · 10 ¹⁰ lat, a jego okres przekracza wiek Wszechświata. Kiedy się rozpada, staje się stabilnym izotopem ⁸⁷ Mr.

Dzięki temu izotop ten służył do datowania epoki minerałów ziemnych i skał występujących od początku istnienia Ziemi.

Oprócz izotopów ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb istnieją inne syntetyczne i radioaktywne o zmiennym i znacznie krótszym czasie życia; na przykład ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekund), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dni), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dni) i ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dnia). Spośród nich ⁸² Rb jest najczęściej używany w badaniach medycznych.

Ryzyka

Metal

Rubid jest metalem tak reaktywnym, że musi być przechowywany w szklanych ampułkach w obojętnej atmosferze, aby nie reagował z tlenem w powietrzu. Jeśli blister pęknie, metal można umieścić w nafcie lub oleju mineralnym, aby go chronić; Jednak w końcu zostanie utleniony przez rozpuszczony w nich tlen, powodując powstanie nadtlenków rubidu.

Jeśli natomiast zdecydujemy się postawić go np. Na drewnie, to spali się fioletowym płomieniem. Jeśli jest dużo wilgoci, spali się, gdy zostanie wystawiony na działanie powietrza. Kiedy duży kawałek rubidu zostanie wrzucony do wody, eksploduje energicznie, nawet zapalając wytwarzany wodór.

Dlatego rubid jest metalem, z którym nie każdy powinien się obchodzić, ponieważ praktycznie wszystkie jego reakcje są wybuchowe.

Jon

W przeciwieństwie do metalicznego rubidu, jego jony Rb ⁺ nie stanowią żadnego widocznego zagrożenia dla organizmów żywych. Te rozpuszczone w wodzie oddziałują z komórkami w taki sam sposób, jak jony K ⁺ .

Dlatego rubid i potas mają podobne zachowania biochemiczne; jednak rubid nie jest pierwiastkiem podstawowym, podczas gdy potas jest. W ten sposób znaczne ilości Rb ⁺ mogą gromadzić się w komórkach, krwinkach czerwonych i wnętrznościach bez negatywnego wpływu na organizm żadnego zwierzęcia.

W rzeczywistości oszacowano, że dorosły mężczyzna o masie 80 kg zawiera około 37 mg rubidu; a ponadto, wzrost tego stężenia rzędu 50 do 100 razy nie prowadzi do niepożądanych objawów.

Jednak nadmiar jonów Rb ⁺ może ostatecznie wyprzeć jony K ⁺ ; w konsekwencji osoba będzie cierpiała na bardzo silne skurcze mięśni aż do śmierci.

Naturalnie, sole rubidu lub rozpuszczalne związki mogą to natychmiast wywołać, więc żadnego z nich nie należy spożywać. Ponadto przez zwykły kontakt może powodować oparzenia, a do najbardziej toksycznych należą fluorek rubidu (RbF), wodorotlenek (RbOH) i cyjanek (RbCN) rubidu.

Aplikacje

Kolektor gazu

Rubid jest używany do wychwytywania lub usuwania śladów gazów, które mogą znajdować się w próżniowo uszczelnionych rurkach. Właśnie ze względu na ich dużą skłonność do zatrzymywania w nich tlenu i wilgoci eliminują je na swojej powierzchni w postaci nadtlenków.

Pirotechnika

Podczas spalania soli rubidu wydzielają charakterystyczny czerwonawo-fioletowy płomień. Niektóre fajerwerki mają te sole w swoim składzie, więc eksplodują tymi kolorami.

Suplement

Chlorek rubidu został przepisany w celu zwalczania depresji, ponieważ badania wykazały niedobór tego pierwiastka u osób cierpiących na tę chorobę. Był również stosowany jako środek uspokajający i do leczenia epilepsji.

Kondensat Bosego-Einsteina

Atomy izotopu ⁸⁷ Rb zostały użyte do stworzenia pierwszego kondensatu Bosego-Einsteina. Ten stan skupienia materii polega na tym, że atomy w temperaturze bardzo zbliżonej do zera absolutnego (0 K) są zgrupowane lub „skondensowane”, zachowując się tak, jakby były jednością.

Tym samym rubid był bohaterem tego triumfu w dziedzinie fizyki, a dzięki tej pracy Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle w 2001 roku otrzymali Nagrodę Nobla.

Diagnoza guza

Syntetyczny radioizotop ⁸² Rb rozpada się, emitując pozytony, które są wykorzystywane do gromadzenia się w tkankach bogatych w potas; takie jak te zlokalizowane w mózgu lub sercu. Dlatego jest używany do analizy czynności serca i obecności ewentualnych guzów w mózgu za pomocą pozytonowej tomografii emisyjnej.

Składnik

Jony rubidu znalazły swoje miejsce w różnego rodzaju materiałach lub mieszaninach. Na przykład jego stopy zostały wykonane ze złota, cezu, rtęci, sodu i potasu. Został dodany do szkła i ceramiki prawdopodobnie w celu podwyższenia ich temperatury topnienia.

W ogniwach słonecznych perowskity zostały dodane jako ważny składnik. Zbadano również możliwość jego zastosowania jako generatora termoelektrycznego, materiału przenoszącego ciepło w kosmosie, paliwa w jonowych silnikach napędowych, medium elektrolitycznego do baterii alkalicznych oraz w magnetometrach atomowych.

Zegary atomowe

Z rubidu i cezu wykonano słynne, bardzo precyzyjne zegary atomowe, wykorzystywane m.in. w satelitach GPS, dzięki którym właściciele swoich smartfonów mogą poznać swoje położenie podczas poruszania się po drodze.

Bibliografia

1. Bond Tom. (29 października 2008). Rubid. Źródło: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubid. Odzyskane z: en.wikipedia.org
4. Narodowe Centrum Informacji Biotechnologicznej. (2019). Rubid. Baza danych PubChem. CID = 5357696. Odzyskany z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P. i Sadler, PJ (2015). Elementy życia i lekarstwa. Transakcje filozoficzne. Seria A, nauki matematyczne, fizyczne i inżynierskie, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo Foundation for Medical Education and Research. (2019). Rubidium Rb 82 (droga dożylna). Odzyskany z: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (sf). Rubid. Odzyskany z: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12 kwietnia 2019). Rubid. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
9. Dr Doug Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastka rubidu. Chemicool. Źródło: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10 maja 2017). Reakcje chemiczne rubidu. Odzyskane z: pilgaardelements.com