Рубидий

Рубидий — элемент главной подгруппы первой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 37. Обозначается символом Rb (лат. Rubidium). Простое вещество рубидий — мягкий легкоплавкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Металлический рубидий имеет сходство с металлическим калием и металлическим цезием по внешнему виду, мягкости и проводимости. Рубидий нельзя хранить на открытом воздухе, так как будет происходить сильно экзотермическая реакция, иногда даже приводящая к воспламенению металла. Рубидий является первым щелочным металлом в группе, плотность которого выше, чем у воды, поэтому он тонет, в отличие от металлов над ним в группе.

История

В 1861 году немецкие учёные Роберт Вильгельм Бунзен и Густав Роберт Кирхгоф, изучая с помощью спектрального анализа природные алюмосиликаты, обнаружили в них новый элемент, впоследствии названный рубидием по цвету наиболее сильных линий спектра. Название, которое происходит от латинского слова rubidus, что означает «насыщенно красный».

Рубидий имел минимальную промышленную ценность до 1920-х годов. С тех пор наиболее важным применением рубидия являются исследования и разработки, главным образом в области химии и электроники. В 1995 году рубидий-87 был использован для получения конденсата Бозе-Эйнштейна, за который первооткрыватели Эрик Аллин Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили в 2001 году Нобелевскую премию по физике.

Обнаружение радиоактивности рубидия

Природная радиоактивность рубидия была открыта Кемпбеллом и Вудом в 1906 году с помощью ионизационного метода и подтверждена В. Стронгом в 1909 году с помощью фотоэмульсии. В 1930 году Л. В. Мысовский и Р. А. Эйхельбергер с помощью камеры Вильсона показали, что эта радиоактивность сопровождается испусканием бета-частиц. Позже было показано, что она обусловлена бета-распадом природного изотопа ⁸⁷Rb.

Происхождение названия

Название дано по цвету наиболее характерных красных линий спектра (от лат. rubidus — красный, тёмно-красный).

Нахождение в природе

Мировые ресурсы рубидия

Содержание рубидия в земной коре составляет 7,8⋅10⁻³ %, что примерно равно суммарному содержанию никеля, меди и цинка. По распространённости в земной коре рубидий находится примерно на 23-м месте, примерно также распространённым как цинк, и более распространенным, чем медь. Однако, в природе он находится в рассеянном состоянии, рубидий — типичный рассеянный элемент. Собственные минералы рубидия неизвестны. Рубидий встречается вместе с другими щелочными элементами, он всегда сопутствует калию. Обнаружен в очень многих горных породах и минералах, найденных, в частности, в Северной Америке, Южной Африке и России, но его концентрация там крайне низка. Только лепидолиты содержат несколько больше рубидия, иногда 0,3 %, а изредка и до 3,5 % (в пересчете на Rb₂O).

Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озёр. Концентрация их и здесь очень невелика, в среднем порядка 125 мкг/л, что меньше чем значение для калия — 408 мкг/л. В отдельных случаях содержание рубидия в воде выше: в Одесских лиманах оно оказалось равным 670 мкг/л, а в Каспийском море — 5700 мкг/л. Повышенное содержание рубидия обнаружено и в некоторых минеральных источниках Бразилии.

Из морской воды рубидий перешёл в калийные соляные отложения, главным образом, в карналлиты. В страссфуртских и соликамских карналлитах содержание рубидия колеблется в пределах от 0,037 до 0,15 %. Минерал карналлит — сложное химическое соединение, образованное хлоридами калия и магния с водой; его формула — KCl·MgCl₂·6H₂O. Рубидий даёт соль аналогичного состава RbCl·MgCl₂·6H₂O, причём обе соли — калиевая и рубидиевая — имеют одинаковое строение и образуют непрерывный ряд твёрдых растворов, кристаллизуясь совместно. Карналлит хорошо растворим в воде, потому вскрытие минерала не составляет большого труда. Сейчас разработаны и описаны в литературе рациональные и экономичные методы извлечения рубидия из карналлита, попутно с другими элементами.

Месторождения

Минералы, содержащие рубидий (лепидолит, циннвальдит, поллуцит, амазонит), находятся на территории Германии, Чехии, Словакии, Намибии, Зимбабве, Туркмении и других странах.

В космосе

Аномально высокое содержание рубидия наблюдается в объектах Торна — Житков (состоящих из красного гиганта или сверхгиганта, внутри которого находится нейтронная звезда).

Получение

Большую часть добываемого рубидия получают как побочный продукт при производстве лития из лепидолита. После выделения лития в виде карбоната или гидроксида рубидий осаждают из маточных растворов в виде смеси алюморубидиевых, алюмокалиевых и алюмоцезиевых квасцов RbAl(SO₄)₂·12H₂O, KAl(SO₄)2·12H₂O, CsAl(SO₄)₂·12H₂O. Смесь разделяют многократной перекристаллизацией.

Рубидий также выделяют и из отработанного электролита, получающегося при получении магния из карналлита. Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках ферроцианидов железа или никеля. Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs₃[Sb₂Cl₉]. Можно извлекать рубидий и из технологических растворов, образующихся при получении глинозёма из нефелина.

Для извлечения рубидия используют методы экстракции и ионообменной хроматографии. Соединения рубидия высокой чистоты получают с использованием полигалогенидов.

Значительную часть производимого рубидия выделяют в ходе получения лития, поэтому появление большого интереса к литию для использования его в термоядерных процессах в 1950-х и в аккумуляторах в 2000-x привело к увеличению добычи лития, а, следовательно, и рубидия. Именно поэтому соединения рубидия стали более доступными.

Физические свойства

Рубидий образует серебристо-белые мягкие кристаллы, имеющие на свежем срезе металлический блеск. Твёрдость по Бринеллю 0,2 МН/м² (0,02 кгс/мм²).

Кристаллическая решётка рубидия кубическая объёмно-центрированная, а = 5,71 Å (при комнатной температуре).

Атомный радиус 2,48 Å, радиус иона Rb⁺ 1,49 Å.

Плотность 1,525 г/см³ (0 °C), температура плавления 38,9 °C, температура кипения 703 °C.

Удельная теплоемкость 335,2 Дж/(кг·К) [0,08 кал/(г·°С)], термический коэффициент линейного расширения 9,0⋅10⁻⁵ K⁻¹ (при 0—38 °C), модуль упругости 2,4 ГН/м² (240 кгс/мм²), удельное объёмное электрическое сопротивление 11,29⋅10⁻⁶ ом·см (при 20 °C); рубидий парамагнитен.

Химические свойства

Щелочной металл, крайне неустойчив на воздухе (реагирует с воздухом в присутствии следов воды с воспламенением). Образует все виды солей — большей частью легкорастворимые.

Соединения рубидия

Гидроксид рубидия RbOH — весьма агрессивное вещество к стеклу и другим конструкционным и контейнерным материалам, а расплавленный RbOH разрушает большинство металлов.

Применение

Хотя в ряде областей применения рубидий уступает цезию, этот редкий щелочной металл играет важную роль в современных технологиях. Можно отметить следующие основные области применения рубидия: катализ, электронная промышленность, специальная оптика, атомная промышленность, медицина (его соединения обладают нормотимическими свойствами).

Рубидий используется не только в чистом виде, но и в виде ряда сплавов и химических соединений. Он образует амальгамы с ртутью и сплавы с золотом, железом, цезием, натрием и калием, но не литием (хотя рубидий и литий находятся в одной группе). Рубидий имеет хорошую сырьевую базу, более благоприятную, чем для цезия. Область применения рубидия в связи с ростом его доступности расширяется.

Изотоп рубидий-86 широко используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации лекарств и пищевых продуктов. Рубидий и его сплавы с цезием — это весьма перспективный теплоноситель и рабочая среда для высокотемпературных турбоагрегатов (в этой связи рубидий и цезий в последние годы приобрели важное значение, и чрезвычайная дороговизна металлов уходит на второй план по отношению к возможностям резко увеличить КПД турбоагрегатов, а значит, и снизить расходы топлива и загрязнение окружающей среды). Применяемые наиболее широко в качестве теплоносителей системы на основе рубидия — это тройные сплавы: натрий-калий-рубидий, и натрий-рубидий-цезий.

В катализе рубидий используется как в органическом, так и неорганическом синтезе. Каталитическая активность рубидия используется в основном для переработки нефти на ряд важных продуктов. Ацетат рубидия, например, используется для синтеза метанола и целого ряда высших спиртов из водяного газа, что актуально в связи с подземной газификацией угля и в производстве искусственного жидкого топлива для автомобилей и реактивного топлива. Ряд сплавов рубидия с теллуром обладают более высокой чувствительностью в ультрафиолетовой области спектра, чем соединения цезия, и в связи с этим он способен в этом случае составить конкуренцию цезию как материал для фотопреобразователей. В составе специальных смазочных композиций (сплавов) рубидий применяется как высокоэффективная смазка в вакууме (ракетная и космическая техника).

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных химических источников тока, а также в качестве добавки к раствору гидроксида калия для улучшения его работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности электролита. В гидридных топливных элементах находит применение металлический рубидий.

Хлорид рубидия в сплаве с хлоридом меди находит применение для измерения высоких температур (до 400 °C).

Пары рубидия используются как рабочее тело в лазерах, в частности, в рубидиевых атомных часах.

Хлорид рубидия применяется в топливных элементах в качестве электролита, то же можно сказать и о гидроксиде рубидия, который очень эффективен как электролит в топливных элементах, использующих прямое окисление угля.

Соединения рубидия иногда используются в фейерверках, чтобы придать им фиолетовый цвет.

Биологическая роль

Рубидий относится к элементам с недостаточно изученной биологической ролью. Обычно рубидий рассматривают совместно с цезием, поэтому их роль в организме человека изучается параллельно.

Рубидий в качестве микроэлемента

Рубидий постоянно присутствует в тканях растений и животных. В земных растениях содержится всего около 0,000064% рубидия, а в морских - ещё меньше. Однако рубидий способен накапливаться в растениях, а также в мышцах и мягких тканях актиний, ракообразных, червей, рыб и иглокожих, причём величина коэффициента накопления составляет от 8 до 26. Наибольший коэффициент накопления (2600) искусственного радиоактивного изотопа 86Rb обнаружен у ряски Lemna polyrrhiza, а среди пресноводных беспозвоночных - Galba palustris. Физиологическая роль рубидия заключается в его способности ингибировать простагландины PGE₁ и PGE₂, PGE₂-альфа и в наличии антигистаминных свойств.

Метаболизм рубидия

Обмен рубидия в организме человека ещё не до конца изучен. Ежедневно в организм человека с пищей поступает до 1,5-4,0 мг рубидия. Через 60-90 минут при пероральном поступлении рубидия в организм, его можно обнаружить в крови. Средний уровень рубидия в крови составляет 2,3-2,7 мг/л.

Основные проявления дефицита рубидия в организме

Недостаточность рубидия изучена плохо. Его содержание ниже 250 мкг/л в корме у подопытных животных может привести к сокращению продолжительности жизни, снижению аппетита, задержан роста и развития, преждевременным родам, выкидышам.

Избыток рубидия

Избыток этого микроэлемента более вреден для организма, он может вызвать опасные осложнения по той простой причине, что рубидий относится к той же категории ядовитых веществ, что и мышьяк As и Серная кислота H₂SO₄. Основные проявления избытка рубидия в организме - протеинурия, локальное раздражение кожи и слизистых оболочек, головные боли, нарушение сна, учащённое сердцебиение.

Меры предосторожности

Элементарный рубидий относится к потенциально токсичным химическим веществам. Опасен в обращении. Его, как правило, хранят в ампулах из стекла пирекс в атмосфере аргона или в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного масла (вазелинового, парафинового). Утилизируют рубидий обработкой остатков металла пентанолом.

Изотопы

В природе существуют два изотопа рубидия: стабильный ⁸⁵Rb (содержание в натуральной смеси: 72,2 %) и бета-радиоактивный ⁸⁷Rb (27,8 %). Период полураспада последнего равен 49,23 млрд лет (в 3 раза больше возраста Земли). Продукт распада — стабильный изотоп стронций-87. Постепенное накопление радиогенного стронция в минералах, содержащих рубидий, позволяет определять возраст этих минералов, измеряя содержание в них рубидия и стронция (см. Рубидий-стронциевый метод в геохронометрии). Благодаря радиоактивности ⁸⁷Rb природный рубидий обладает удельной активностью около 670 кБк/кг.

Искусственным путём получены 30 радиоактивных изотопов рубидия (в диапазоне массовых чисел от 71 до 102), не считая 16 возбуждённых изомерных состояний.