RUBIDIJ: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, DOBIVANJE, UPORABE - KEMIJA - 2025

Rubidij je metalni element koji pripada skupini 1 periodičkog: alkalni metal, predstavljen kemijskom simbolom Rb. Njegovo ime zvuči slično rubin, a to je zato što je, kada je otkriven, njegov emisijski spektar pokazao karakteristične crte duboke crvene boje.

To je jedan od najreaktivnijih metala koji postoje. To je prvi od alkalnih metala koji, iako nisu jako gusti, tone u vodu. Također s njim reagira eksplozivnije u usporedbi s litijem, natrijom i kalijem. Bilo je eksperimenata u kojima mjehurići puknu gdje su spremljeni (slika na dnu) kako bi pala i eksplodirala u kadama.

Ampula s jednim gramom rubidija pohranjena u inertnoj atmosferi. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Rubidium se odlikuje skupljim metalom od samog zlata; ne toliko zbog svoje oskudnosti, koliko zbog široke mineraloške raspodjele u zemljinoj kori i poteškoća koje nastaju prilikom izolacije iz spojeva kalija i cezija.

Pokazuje jasnu tendenciju udruživanja s kalijem u njegovim mineralima, što se smatra nečistoćom. Ne samo u geokemijskim stvarima, on tvori dvojac s kalijem, već i na polju biokemije.

Organizam "pogriješi" K ⁺ ione za one Rb ⁺; međutim, rubidij do danas nije važan element jer je njegova uloga u metabolizmu nepoznata. Unatoč tome, dodaci rubidija upotrebljavali su se za ublažavanje određenih zdravstvenih stanja poput depresije i epilepsije. S druge strane, oba iona ispuštaju ljubičasti plamen u toplini upaljača.

Zbog visokih troškova, njegova se primjena ne temelji previše na sintezi katalizatora ili materijala, već kao komponenta za razne uređaje s teorijskim fizičkim osnovama. Jedan od njih su atomski sat, solarne ćelije i magnetometri. Zbog toga se rubidij ponekad smatra podcijenjenim ili nedovoljno proučenim metalom.

Povijest

Rubidij su otkrili 1861. godine njemački kemičari Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff pomoću spektroskopije. Da bi to učinili, koristili su Bunsenov plamenik i spektroskop, izumljen dvije godine ranije, kao i analitičke tehnike oborina. Njihov je predmet proučavanja bio mineral lepidolit čiji je uzorak prikupljen iz Saksonije u Njemačkoj.

Počeli su sa 150 kg lepidolit minerala, koji su liječeni s chloroplatinic kiselinom, H ₂ PtCb ₆, kako bi se istaložio kalijev heksakloroplatinat, K ₂ PtCb ₆. Međutim, kad su proučavali njegov spektar spaljivanjem ga u Bunsenovom plameniku, shvatili su da on pokazuje emisijske vodove koji se ne poklapaju s bilo kojim drugim elementom u to vrijeme.

Emisijski spektar ovog novog elementa karakterizira dva dobro definirana crta u crvenoj regiji. Zbog toga su ga krstili imenom 'rubidus' što znači 'tamnocrveno'. Kasnije Bunsen i Kirchhoff uspjeli odvajanje Rb ₂ PtCb ₆ od K ₂ PtCb ₆ frakcijskom kristalizacijom; da bi ga na kraju smanjili na kloridnu sol koristeći vodik.

Identificirajući i izolirajući sol novog elementa rubidijuma, njemački su kemičari trebali samo da ga smanje u metalno stanje. Da bi to postigli pokušali su na dva načina: primjenom elektrolize rubidijevim kloridom ili zagrijavanjem soli koju je lakše smanjiti, poput njenog tartarata. Tako se rodio metalni rubidij.

Fizička i kemijska svojstva

Izgled

Mekani, srebrno-sivi metal. Toliko je glatka da izgleda poput maslaca. Obično je pakiran u staklene ampule, unutar kojih prevladava inertna atmosfera koja ga štiti od reakcije zraka.

Atomski broj (Z)

37

Molekulska masa

85.4678 g / mol

Talište

39 ° C

Vrelište

688 ºC

Gustoća

Na sobnoj temperaturi: 1.532 g / cm ³

Kod tališta: 1,46 g / cm ³

Gustoća rubidija veća je od vode, pa će se slijevati dok burno reagira s njim.

Toplina fuzije

2,19 kJ / mol

Toplina isparavanja

69 kJ / mol

Elektronegativnost

0,82 na Paulingovoj skali

Elektronski afinitet

46,9 kJ / mol

Ionizirajuće energije

-Prvo: 403 kJ / mol (Rb ⁺ plinoviti)

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

-Treće: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ plinoviti)

Atomski radio

248 sati (empirijski)

Toplinska vodljivost

58,2 W / (m K)

Električni otpor

128 nΩ m na 20 ° C

Mohsova tvrdoća

0.3. Stoga je čak i talk tvrđi od metalnog rubidija.

Reaktivnost

Test plamena za rubidij. Kada reagira, odašilje ljubičasti plamen. Izvor: Didaktische.Medien

Rubidij je jedan od najaktivnijih alkalnih metala, nakon cezija i kalcijuma. Čim je izložen zraku, on počinje gorjeti, a ako se zabije, puca lagane iskre. Ako se zagrijava, emitira i ljubičasti plamen (gornja slika), što je pozitivan test za Rb ⁺ ione.

Reagira s kisikom, čime se dobije smjesu peroksida (Rb ₂ O ₂) i superoxides (RbO ₂). Iako ne reagira s kiselinama i bazama, burno reagira s vodom, stvarajući rubidij hidroksid i vodikov plin:

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

Reagira s vodikom i tvori njegov odgovarajući hidrid:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

A također s halogenima i sumporom eksplozivno:

2R '' (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S

Iako se rubidij ne smatra toksičnim elementom, potencijalno je opasan i predstavlja opasnost od požara kada dođe u kontakt s vodom i kisikom.

Struktura i elektronička konfiguracija

Atomi Rubidija raspoređeni su na tako uredan način da oni uspostavljaju kristal s kubičnom strukturom u središtu tijela (bcc, za njegovu kraticu na engleskom body centrated cubic). Ova je struktura karakteristična za alkalne metale, koji su lagani i imaju tendenciju da plutaju na vodi; osim rubidijom dolje (cezij i francij).

U kristalima rubidij bcc, njihovi Rb atomi međusobno djeluju zahvaljujući metalnoj vezi. Ovim upravlja "more elektrona" iz njegove valentne ljuske, iz orbite 5s u skladu s njenom elektroničkom konfiguracijom:

5s ¹

Svih 5-orbitala sa svojim jednim elektronom preklapaju se u svim dimenzijama metalnih kristala rubidija. Međutim, ove interakcije su slabe, budući da se kako se kreće niz grupu alkalnih metala orbitale postaju difuznije i, stoga, metalna veza slabi.

Zbog toga je talište rubidija 39 ° C. Isto tako, njegova slaba metalna veza objašnjava mekoću njegove čvrste tvari; tako mekano izgleda kao srebrni maslac.

Nema dovoljno bibliografskih podataka o ponašanju njegovih kristala pod visokim tlakom; ako postoje gušće faze s jedinstvenim svojstvima kao što je natrij.

Oksidacijski brojevi

Njegova elektronička konfiguracija odjednom pokazuje da rubidij snažno teži gubitku jednog jedinog elektrona da bi postao izoelektronski u kripti plemenitog plina. Kada to učini, ^nastaje monovalentni kation Rb ⁺. Tada je rečeno da u svojim spojevima ima oksidacijski broj +1 kada se pretpostavi postojanje ovog kationa.

Zbog sklonosti rubidija da oksidira, pretpostavka da u njezinim spojevima postoje ioni Rb ^{+ su} tačni, što zauzvrat ukazuje na ionski karakter ovih spojeva.

U gotovo svim rubidijevim spojevima pokazuje oksidacijski broj +1. Primjeri su sljedeći:

-Rubidijev klorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^-)

-Rubidij hidroksid, RbOH (Rb ⁺ OH ^-)

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

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

-Rubidium superoksida, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^-)

Iako je vrlo rijedak, rubidij može imati i negativan oksidacijski broj: -1 (Rb ^-). U ovom slučaju, moglo bi se govoriti o "rubididu" ako bi tvorio spoj s elementom manje negativnim od njega ili ako je bio podvrgnut posebnim i strogim uvjetima.

klasteri

Postoje spojevi u kojima svaki Rb atom pojedinačno ima oksidacijske brojeve s vrijednostima frakcije. Na primjer, u Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2-) i Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2-) pozitivni naboj je raspoređen između skupa Rb atoma (klastera). Tako, na Rb ₆ O broj oksidacija teoretski bi +1/3; a u Rb ₉ O ₂ + 0,444 (4/9).

Struktura klastera Rb9O2. Izvor: Axiosaurus

Iznad je struktura klastera Rb ₉ O ₂ predstavljena modelom sfera i šipki. Primjetite kako devet Rb atoma "zatvara" O ^2- anione.

Pomoću elubacije, izgleda kao da su dio izvornih metalnih kristala rubidija ostali nepromijenjeni dok su bili odvojeni od matičnog kristala. U procesu gube elektrone; one potrebne za privlačenje O ^2-, a rezultirajući pozitivni naboj distribuira se između svih atoma spomenutog klastera (skupa ili agregata Rb atoma).

Prema tome, u ovim nakupinama rubidija formalno se ne može pretpostaviti postojanje Rb ⁺. Rb ₆ O i Rb ₉ O _{2 su} klasificirani kao rubidija suboxides, u kojima je ispunjen taj očito anomalija ima suvišak atoma metala u odnosu na oksida aniona.

Gdje pronaći i nabaviti

Zemljina kora

Lepidolitni mineralni uzorak. Izvor: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidij je 23. najbogatiji element u zemljinoj kori, s obiljem uporedivim sa metalom cinkom, olovom, cezijom i bakrom. Pojedinosti su u tome što su njeni ioni široko difuznirani, tako da ne prevladava ni u jednom mineralu kao glavnom metalnom elementu, a njegove su rude također rijetke.

Iz tog je razloga rubidij vrlo skup metal, čak i više od samog zlata, jer je postupak dobivanja iz njegovih ruda složen zbog poteškoće u njegovoj eksploataciji.

U prirodi, s obzirom na reaktivnost, rubidij se ne nalazi u svom prirodnom stanju, nego u obliku oksida (Rb ₂ O) klorid (RbCl) ili uz druge aniona. Njegovi "slobodni" Rb ⁺ ioni nalaze se u morima s koncentracijom od 125 µg / L, kao i u vrućim izvorima i rijekama.

Među mineralima zemljine kore koji ga sadrže u koncentraciji manjoj od 1% imamo:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Carnalite, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

-Zinnwaldite, KLiFeAl (AlSi ₃) 0 ₁₀ (OH, F) ₂

-Amazonite, 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 udruženje

Svi ti minerali dijele jedno ili dvije zajedničke stvari: to su silikati kalija, cezija ili litija ili su mineralne soli ovih metala.

To znači da rubidij ima jaku tendenciju povezivanja s kalijem i cezijom; Čak može zamijeniti kalij tijekom kristalizacije minerala ili stijena, kao što se događa u naslagama pegmatita kad se magma kristalizira. Dakle, rubidij je nusproizvod iskorištavanja i rafiniranja ovih stijena i njihovih minerala.

Rubidij se može naći i u uobičajenim stijenama poput granita, gline i bazalta, pa čak i u naslagama ugljika. Od svih prirodnih izvora, lepidolit predstavlja njegovu glavnu rudu i iz koje se komercijalno iskorištava.

U karnalitu, s druge strane, rubidij se može naći kao RbCl nečistoće sa sadržajem od 0,035%. A u većoj koncentraciji postoje naslage polucita i rubicina, koje mogu sadržavati i do 17% rubidija.

Njegova geokemijska povezanost s kalijem je zbog sličnosti njihovih ionskih radijusa; Rb ⁺ je veći od K ⁺, ali razlika u veličinama ne predstavlja prepreku da bi prvi mogao zamijeniti drugi u svojim mineralnim kristalima.

Frakcijska kristalizacija

Bilo da započnemo s lepidolitom ili polucitom ili s bilo kojim od spomenutih minerala, izazov ostaje isti u većem ili manjem stupnju: odvojiti rubidij od kalija i cezija; to jest, primjenjuju se tehnike razdvajanja smjesa koje omogućavaju s jedne strane spojeve rubidij ili soli i kalijeve i cezijeve soli s druge strane.

To je teško jer ovi ioni (K ⁺, Rb ⁺ i Cs ⁺) imaju veliku kemijsku sličnost; Oni reagiraju na isti način da tvore iste soli, koje se teško razlikuju jedna od druge zahvaljujući svojoj gustoći i topljivosti. Zbog toga se koristi frakcijska kristalizacija, kako bi se oni kristalizirali polako i kontrolirano.

Na primjer, ova se tehnika koristi za odvajanje smjese karbonata i aluma od tih metala. Postupci rekristalizacije moraju se ponoviti nekoliko puta kako bi se osigurali kristali veće čistoće i bez kooprecipitiranih iona; sol rubidija koja se kristalizira s K ⁺ ili Cs ⁺ ionima na njegovoj površini ili iznutra.

Modernije tehnike, poput upotrebe smole za ionsku izmjenu ili krunskih etera kao kompleksirajućih sredstava, također omogućavaju izolaciju iona Rb ⁺.

Elektroliza ili redukcija

Nakon što se rubidijeva sol odvoji i pročisti, sljedeći i posljednji korak je redukcija Rb ⁺ kationa u čvrstom metalu. Da bi se to postiglo, sol se otopi i podvrgne elektrolizi, tako da se na katodi taloži rubidij; ili se koristi snažno reducirajuće sredstvo, poput kalcija i natrija, koje može brzo gubiti elektrone i tako smanjiti rubidij.

izotopi

Rubidij se nalazi na Zemlji kao dva prirodna izotopa: ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb. Prvi ima obilje 72,17%, a drugi 27,83%.

⁸⁷ Rb je odgovoran za ovaj metal je radioaktivan; međutim njegovo zračenje je bezopasno i čak korisno za analizu datiranja. Vrijeme njegovog poluživota (t _1/2) je 4,9 · 10 ¹⁰ godina, čije razdoblje prijelazi starost svemira. Kad propadne, postaje stabilan izotop ⁸⁷ Mr.

Zahvaljujući tome, ovaj se izotop koristio za datiranje doba zemnih minerala i stijena prisutnih od početka Zemlje.

Pored izotopa od ⁸⁵ Rb i ⁸⁷ Rb, postoje i drugi sintetički i radioaktivni s promjenjivim i mnogo kraćim životnim vijekom; na primjer, ⁸² Rb (t _1/2 = 76 sekundi), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 dana), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 dana) i ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 dana). Od svih njih ⁸² Rb se najviše koristi u medicinskim studijama.

rizici

Metal

Rubidij je tako reaktivan metal da se mora čuvati u staklenim ampulama pod inertnom atmosferom kako ne bi reagirao s kisikom u zraku. Ako se bočica slomi, metal se može staviti u kerozin ili mineralno ulje da bi se zaštitio; međutim, na kraju će se oksidirati kisikom otopljenim u njima, stvarajući rubidij perokside.

Ako se, s druge strane, odluči staviti na drvo, primjerice, ono će završiti gori ljubičastim plamenom. Ako ima puno vlage, ona će izgorjeti samo izlaganjem zraku. Kada se veliki komad rubidija baci u količinu vode, on snažno eksplodira, pa čak i zapalio nastali vodikov plin.

Stoga je rubidij metal s kojim se ne bi svi trebali nositi, jer su praktički sve njegove reakcije eksplozivne.

ion

Za razliku od metalnog rubidijuma, njegovi Rb ⁺ ioni ne predstavljaju vidljiv rizik za živa bića. Oni otopljeni u vodi međusobno djeluju sa stanicama na isti način kao i K ⁺ ioni.

Stoga rubidij i kalij imaju slična biokemijska ponašanja; međutim, rubidij nije bitan element, dok je kalij. Na taj se način značajne količine Rb ⁺ mogu akumulirati u stanicama, crvenim krvnim ćelijama i unutarnjim mjestima bez negativnog utjecaja na organizam bilo koje životinje.

Zapravo, za odraslog muškarca mase 80 kg procjenjuje se da sadrži oko 37 mg rubidija; i da pored toga, povećanje ove koncentracije u redoslijedu od 50 do 100 puta ne dovodi do nepoželjnih simptoma.

Međutim, višak Rb ⁺ iona može prebaciti K ⁺ ione; i prema tome, pojedinac će trpjeti vrlo jake mišićne grčeve do smrti.

Očito, rubidijeve soli ili topljivi spojevi mogu to odmah pokrenuti, pa nijedan od njih ne smije se gutati. Osim toga, jednostavnim kontaktom može izazvati opekline, a među najotrovnije možemo spomenuti fluorid (RbF), hidroksid (RbOH) i cijanid (RbCN) rubidija.

Prijave

Sakupljač plina

Rubidij se koristi za hvatanje ili uklanjanje tragova plinova koji se mogu nalaziti u vakuumski zatvorenim cijevima. Upravo zahvaljujući visokoj sklonosti hvatanju kisika i vlage u njima, eliminiraju ih na svojoj površini kao perokside.

Pirotehnika

Kad sagorijevaju rubidijeve soli, odaju karakterističan crvenkasto-ljubičasti plamen. Neki vatromet ima te soli u svom sastavu tako da eksplodiraju tim bojama.

Dopuniti

Za borbu protiv depresije propisan je Rubidijev klorid, jer su ispitivanja utvrdila deficit ovog elementa kod osoba koje pate od ovog zdravstvenog stanja. Također se koristi kao sedativ i za liječenje epilepsije.

Bose-Einsteinov kondenzat

Atomi ⁸⁷ Rb izotopa korišteni su za stvaranje prvog Bose-Einsteinova kondenzata. Stanje materije sastoji se u tome što su atomi pri temperaturi prilično bliskoj apsolutnoj nuli (0 K), grupirani ili "kondenzirani", ponašajući se kao da su jedan.

Dakle, rubidij je bio glavni glumac ovog trijumfa na polju fizike, a Eric Cornell, Carl Wieman i Wolfgang Ketterle dobili su Nobelovu nagradu 2001. godine zahvaljujući ovom djelu.

Dijagnoza tumora

Sintetički radioizotop ⁸² Rb propada, emitujući pozitrone, koji se koriste za nakupljanje u tkivima bogatim kalijem; poput onih smještenih u mozgu ili srcu. Stoga se koristi za analizu funkcionalnosti srca i prisutnosti mogućih tumora u mozgu pomoću pozitronsko-emisijske tomografije.

sastavni dio

Rubidijevi ioni našli su mjesto u različitim vrstama materijala ili smjesa. Na primjer, njegove legure izrađene su od zlata, cezija, žive, natrija i kalija. Dodaje se u čaše i keramiku vjerojatno kako bi povećao njihovu talište.

U solarne ćelije dodani su perovskiti kao važna komponenta. Ispitivana je i njegova moguća upotreba kao termoelektrični generator, materijal za prijenos topline u prostoru, gorivo u ionskim pogonskim motorima, elektrolitički medij za alkalne baterije i u atomskim magnetometrima.

Atomski satovi

S rubidijom i cezijom izrađeni su poznati, vrlo precizni atomski satovi, koji se koriste, primjerice, u GPS satelitima s kojima vlasnici njihovih pametnih telefona mogu znati gdje se nalaze dok se kreću cestom.

Reference

1. Bond Tom. (29. listopada 2008.). Rubidij. Oporavilo od: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubidij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
4. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2019). Rubidij. PubChem baza podataka. CID = 5357696. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elementi života i lijekovi. Filozofske transakcije. Serija A, Matematičke, fizičke i tehničke znanosti, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Mayo zaklada za medicinsko obrazovanje i istraživanje. (2019). Rubidium Rb 82 (intravenski put). Oporavilo sa: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (SF). Rubidij. Oporavak od: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12. travnja 2019.). Rubidij. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Činjenice elementa Rubidij. Chemicool. Oporavilo od: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10. svibnja 2017.). Kemijske reakcije Rubidija. Oporavilo od: pilgaardelements.com