RUBIDIUM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, GEWINNUNG, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Rubidium ist ein Metallelement der Gruppe 1 des Periodensystems: das Alkalimetall, dargestellt durch das chemische Symbol Rb. Sein Name klingt ähnlich wie Rubin, und das liegt daran, dass sein Emissionsspektrum bei seiner Entdeckung charakteristische Linien von tiefroter Farbe zeigte.

Es ist eines der reaktivsten Metalle, die es gibt. Es ist das erste Alkalimetall, das trotz seiner geringen Dichte im Wasser versinkt. Es reagiert auch explosiver mit ihm im Vergleich zu Lithium, Natrium und Kalium. Es gab Experimente, bei denen Blasen platzen, wo sie aufbewahrt werden (unteres Bild), um zu fallen und in Badewannen zu explodieren.

Ampulle mit einem Gramm Rubidium unter inerter Atmosphäre gelagert. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

Rubidium zeichnet sich dadurch aus, dass es ein teureres Metall als Gold selbst ist. nicht so sehr wegen seiner Knappheit, sondern wegen seiner breiten mineralogischen Verbreitung in der Erdkruste und der Schwierigkeiten, die bei der Isolierung von Kalium- und Cäsiumverbindungen auftreten.

Es zeigt eine deutliche Tendenz, sich in seinen Mineralien mit Kalium zu verbinden, das als Verunreinigungen gefunden wird. Nicht nur in geochemischen Angelegenheiten bildet es mit Kalium ein Duo, sondern auch auf dem Gebiet der Biochemie.

Der Organismus "verwechselt" die K ⁺ -Ionen mit denen von Rb ⁺ ; Rubidium ist jedoch bislang kein wesentliches Element, da seine Rolle im Stoffwechsel unbekannt ist. Trotzdem wurden Rubidiumpräparate verwendet, um bestimmte Erkrankungen wie Depressionen und Epilepsie zu lindern. Andererseits geben beide Ionen in der Hitze des Feuerzeugs eine violette Flamme ab.

Aufgrund seiner hohen Kosten basieren seine Anwendungen nicht zu sehr auf der Synthese von Katalysatoren oder Materialien, sondern als Komponente für verschiedene Vorrichtungen mit theoretischen physikalischen Grundlagen. Eine davon ist die Atomuhr, Solarzellen und Magnetometer. Aus diesem Grund wird Rubidium manchmal als unterschätztes oder wenig untersuchtes Metall angesehen.

Geschichte

Rubidium wurde 1861 von den deutschen Chemikern Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff spektroskopisch entdeckt. Dazu verwendeten sie den zwei Jahre zuvor erfundenen Bunsenbrenner und das Spektroskop sowie analytische Fällungstechniken. Ihr Untersuchungsgegenstand war das Mineral Lepidolit, dessen Probe aus Sachsen entnommen wurde.

Sie begannen mit 150 kg Lepidolithmineral, das sie mit Chlorplatinsäure H ₂ PtCl _{6 behandelten} , um Kaliumhexachloroplatinat K ₂ PtCl ₆ auszufällen . Als sie jedoch sein Spektrum durch Verbrennen im Bunsenbrenner untersuchten, stellten sie fest, dass es Emissionslinien aufwies, die zu diesem Zeitpunkt mit keinem anderen Element übereinstimmten.

Das Emissionsspektrum dieses neuen Elements ist durch zwei genau definierte Linien im roten Bereich gekennzeichnet. Deshalb tauften sie es mit dem Namen "rubidus", was "dunkelrot" bedeutet. Später konnte Bunsen und Kirchhoff in Trenn Rb ₂ PtCl ₆ von K ₂ PtCl ₆ durch fraktionierte Kristallisation; um es schließlich mit Wasserstoff zu seinem Chloridsalz zu reduzieren.

Die deutschen Chemiker identifizierten und isolierten ein Salz des neuen Elements Rubidium und mussten es nur auf seinen metallischen Zustand reduzieren. Um dies zu erreichen, versuchten sie es auf zwei Arten: durch Elektrolyse auf Rubidiumchlorid oder durch Erhitzen eines Salzes, das leichter zu reduzieren ist, wie z. B. Tartrat. So wurde das metallische Rubidium geboren.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Weiches, silbergraues Metall. Es ist so glatt, dass es wie Butter aussieht. Es ist normalerweise in Glasampullen verpackt, in denen eine inerte Atmosphäre vorherrscht, die es vor Reaktionen mit Luft schützt.

Ordnungszahl (Z)

37

Molmasse

85,4678 g / mol

Schmelzpunkt

39 ºC

Siedepunkt

688 ºC

Dichte

Bei Raumtemperatur: 1,532 g / cm ³

Beim Schmelzpunkt: 1,46 g / cm ³

Die Dichte von Rubidium ist höher als die von Wasser, so dass es sinkt, während es heftig darauf reagiert.

Schmelzwärme

2,19 kJ / mol

Verdampfungswärme

69 kJ / mol

Elektronegativität

0,82 auf der Pauling-Skala

Elektronische Affinität

46,9 kJ / mol

Ionisierungsenergien

- Zuerst: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gasförmig)

-Sekunde: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ gasförmig)

- Drittens: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ gasförmig)

Atomradio

248 Uhr (empirisch)

Wärmeleitfähigkeit

58,2 W / (m K)

Elektrischer widerstand

128 nΩ m bei 20 ° C.

Mohs Härte

0,3. Daher ist sogar Talk härter als metallisches Rubidium.

Reaktivität

Flammentest auf Rubidium. Wenn es reagiert, gibt es eine violette Flamme ab. Quelle: Didaktische.Medien

Rubidium ist nach Cäsium und Francium eines der reaktivsten Alkalimetalle. Sobald es der Luft ausgesetzt ist, beginnt es zu brennen, und wenn es getroffen wird, schießt es leichte Funken. Beim Erhitzen wird auch eine violette Flamme abgegeben (oberes Bild), was ein positiver Test für Rb ⁺ -Ionen ist .

Es reagiert mit Sauerstoff unter Bildung eines Gemisches aus Peroxiden (Rb ₂ O ₂ ) und Superoxiden (RbO ₂ ). Obwohl es nicht mit Säuren und Basen reagiert, reagiert es heftig mit Wasser und erzeugt Rubidiumhydroxid und Wasserstoffgas:

Rb (s) + H ₂ O (1) => RbOH (aq) + H ₂ (g)

Reagiert mit Wasserstoff unter Bildung des entsprechenden Hydrids:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

Und auch mit Halogenen und Schwefel explosionsartig:

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Obwohl Rubidium nicht als toxisches Element angesehen wird, ist es potenziell gefährlich und birgt Brandgefahr, wenn es mit Wasser und Sauerstoff in Kontakt kommt.

Struktur und elektronische Konfiguration

Rubidiumatome sind so angeordnet, dass sie einen Kristall mit einer körperzentrierten kubischen Struktur (bcc) bilden. Diese Struktur ist charakteristisch für Alkalimetalle, die leicht sind und dazu neigen, auf Wasser zu schwimmen. außer von Rubidium nach unten (Cäsium und Francium).

In Rubidium-bcc-Kristallen interagieren ihre Rb-Atome dank der Metallbindung miteinander. Dies wird durch ein "Elektronenmeer" aus seiner Valenzschale, aus dem 5s-Orbital gemäß seiner elektronischen Konfiguration geregelt:

5s ¹

Alle 5s-Orbitale mit ihren Einzelelektronen überlappen sich in allen Dimensionen metallischer Rubidiumkristalle. Diese Wechselwirkungen sind jedoch schwach, da die Orbitale beim Abstieg durch die Alkalimetallgruppe diffuser werden und daher die Metallbindung schwächer wird.

Deshalb liegt der Schmelzpunkt von Rubidium bei 39 ° C. Ebenso erklärt seine schwache metallische Bindung die Weichheit seines Feststoffs; so weich, dass es aussieht wie silberne Butter.

Es gibt nicht genügend bibliografische Informationen über das Verhalten seiner Kristalle unter hohem Druck. wenn es dichtere Phasen mit einzigartigen Eigenschaften wie Natrium gibt.

Oxidationszahlen

Seine elektronische Konfiguration zeigt sofort an, dass Rubidium stark dazu neigt, sein einzelnes Elektron zu verlieren, um für das Edelgas Krypton isoelektronisch zu werden. Wenn dies der Fall ist, wird das einwertige Kation Rb ^{+ gebildet} . Es wird dann gesagt, dass es in seinen Verbindungen die Oxidationszahl +1 hat, wenn die Existenz dieses Kations angenommen wird.

Aufgrund der Neigung von Rubidium zur Oxidation ist die Annahme, dass Rb ⁺ -Ionen in seinen Verbindungen vorhanden sind, richtig, was wiederum den ionischen Charakter dieser Verbindungen anzeigt.

In fast allen Rubidiumverbindungen weist es eine Oxidationszahl von +1 auf. Beispiele hierfür sind:

-Rubidiumchlorid, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Rubidiumhydroxid, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Rubidiumcarbonat, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Rubidiummonoxid, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

-Rubidiumsuperoxid, RbO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Obwohl sehr selten, könnte Rubidium auch eine negative Oxidationszahl haben: -1 (Rb ^- ). In diesem Fall würde man von einem "Rubidid" sprechen, wenn es eine Verbindung mit einem Element bildet, das weniger elektronegativ ist als es, oder wenn es unter besonderen und strengen Bedingungen ausgesetzt wird.

Cluster

Es gibt Verbindungen, bei denen jedes Rb-Atom einzeln Oxidationszahlen mit Bruchwerten aufweist. Beispielsweise ist in Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) und Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2- ) die positive Ladung auf einen Satz von Rb-Atomen (Clustern) verteilt. Somit wäre in Rb ₆ O die Oxidationszahl theoretisch +1/3; während in Rb ₉ O ₂ + 0,444 (4/9).

Clusterstruktur von Rb9O2. Quelle: Axiosaurus

Oben ist die Clusterstruktur von Rb ₉ O ₂ dargestellt, die durch ein Kugel- und Balkenmodell dargestellt wird. Beachten Sie, wie die neun Rb-Atome die O ² -Anionen "einschließen" .

Zur Aufklärung ist es so, als ob ein Teil der ursprünglichen metallischen Rubidiumkristalle unverändert blieb, während sie vom Mutterkristall getrennt wurden. Sie verlieren dabei Elektronen; diejenigen, die notwendig sind, um das O ^2- anzuziehen , und die resultierende positive Ladung wird auf alle Atome des Clusters verteilt (Menge oder Aggregate von Rb-Atomen).

Daher kann in diesen Rubidiumclustern die Existenz von Rb ⁺ formal nicht angenommen werden . Rb ₆ O und Rb ₉ O _{2 werden} als Rubidium-Suboxide klassifiziert, bei denen diese offensichtliche Anomalie eines Überschusses an Metallatomen in Bezug auf die Oxidanionen erfüllt ist.

Wo zu finden und zu erhalten

Erdkruste

Lepidolith-Mineralprobe. Quelle: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidium ist das 23. am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste. Die Häufigkeit ist vergleichbar mit der der Metalle Zink, Blei, Cäsium und Kupfer. Das Detail ist, dass seine Ionen weit verbreitet sind, so dass es in keinem Mineral als Hauptmetallelement überwiegt und seine Erze ebenfalls knapp sind.

Aus diesem Grund ist Rubidium ein sehr teures Metall, sogar mehr als Gold selbst, da sein Verfahren zur Gewinnung aus seinen Erzen aufgrund der Schwierigkeit seiner Ausbeutung komplex ist.

In der Natur wird Rubidium aufgrund seiner Reaktivität nicht in seinem nativen Zustand gefunden, sondern als Oxid (Rb ₂ O), Chlorid (RbCl) oder begleitet von anderen Anionen. Seine „freien“ Rb ⁺ -Ionen kommen in den Meeren mit einer Konzentration von 125 µg / L sowie in heißen Quellen und Flüssen vor.

Unter den Mineralien der Erdkruste, die sie in einer Konzentration von weniger als 1% enthalten, haben wir:

-Leucita, K.

-Polucit, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O.

-Carnalit, KMgCl ₃ · 6H ₂ O.

-Zinnwaldit, KLiFeAl (AlSi ₃ ) O ₁₀ (OH, F) ₂

-Amazonit, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Petalit, LiAlSi ₄ O ₁₀

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

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Geochemische Vereinigung

Alle diese Mineralien haben ein oder zwei Gemeinsamkeiten: Sie sind Silikate von Kalium, Cäsium oder Lithium oder Mineralsalze dieser Metalle.

Dies bedeutet, dass Rubidium eine starke Tendenz hat, sich mit Kalium und Cäsium zu verbinden; Es kann sogar Kalium während der Kristallisation von Mineralien oder Gesteinen ersetzen, wie dies bei Ablagerungen von Pegmatiten der Fall ist, wenn Magma kristallisiert. Rubidium ist somit ein Nebenprodukt der Ausbeutung und Raffination dieser Gesteine ​​und ihrer Mineralien.

Rubidium kommt auch in gewöhnlichen Gesteinen wie Granit, Ton und Basalt und sogar in kohlenstoffhaltigen Ablagerungen vor. Von allen natürlichen Quellen stellt Lepidolith sein Haupterz dar, aus dem es kommerziell gewonnen wird.

In Carnalit hingegen kann Rubidium als RbCl-Verunreinigung mit einem Gehalt von 0,035% gefunden werden. Und in höherer Konzentration gibt es Polucit- und Rubiclinablagerungen, die bis zu 17% Rubidium enthalten können.

Seine geochemische Assoziation mit Kalium beruht auf der Ähnlichkeit ihrer Ionenradien; Rb ⁺ ist größer als K ⁺ , aber der Größenunterschied ist kein Hindernis für das erstere, das letztere in seinen Mineralkristallen ersetzen zu können.

Fraktionierte Kristallisation

Ob ausgehend von Lepidolit oder Polucit oder mit einem der oben genannten Mineralien, die Herausforderung bleibt mehr oder weniger gleich: Rubidium von Kalium und Cäsium trennen; das heißt, Mischtrennungstechniken anwenden, die es einerseits ermöglichen, Rubidiumverbindungen oder -salze und andererseits Kalium- und Cäsiumsalze zu haben.

Dies ist schwierig, da diese Ionen (K ⁺ , Rb ⁺ und Cs ⁺ ) eine große chemische Ähnlichkeit aufweisen; Sie reagieren auf die gleiche Weise zu den gleichen Salzen, die sich aufgrund ihrer Dichte und Löslichkeit kaum voneinander unterscheiden. Deshalb wird eine fraktionierte Kristallisation verwendet, damit sie langsam und kontrolliert kristallisieren können.

Beispielsweise wird diese Technik verwendet, um eine Mischung aus Carbonaten und Alaun von diesen Metallen zu trennen. Die Rekristallisationsprozesse müssen mehrmals wiederholt werden, um Kristalle von größerer Reinheit und frei von gemeinsam ausgefällten Ionen zu gewährleisten. ein Rubidiumsalz, das mit K ^{+ -} oder Cs ⁺ -Ionen auf seiner Oberfläche oder im Inneren kristallisiert .

Modernere Techniken wie die Verwendung eines Ionenaustauscherharzes oder von Kronenethern als Komplexbildner ermöglichen auch die Isolierung von Rb ⁺ -Ionen .

Elektrolyse oder Reduktion

Sobald das Rubidiumsalz abgetrennt und gereinigt wurde, besteht der nächste und letzte Schritt darin, die Rb ⁺ -Kationen zum festen Metall zu reduzieren . Dazu wird das Salz geschmolzen und einer Elektrolyse unterzogen, so dass Rubidium auf der Kathode ausfällt; oder es wird ein starkes Reduktionsmittel wie Calcium und Natrium verwendet, das in der Lage ist, Elektronen schnell zu verlieren und somit Rubidium zu reduzieren.

Isotope

Rubidium kommt auf der Erde als zwei natürliche Isotope vor: ⁸⁵ Rb und ⁸⁷ Rb. Der erste hat eine Häufigkeit von 72,17%, während der zweite von 27,83%.

Der ⁸⁷ Rb ist dafür verantwortlich, dass dieses Metall radioaktiv ist; Seine Strahlung ist jedoch harmlos und sogar für die Datierungsanalyse von Vorteil. Seine Halbwertszeit (t _1/2 ) beträgt 4,9 · 10 ¹⁰ Jahre, deren Zeitspanne das Alter des Universums überschreitet. Wenn es zerfällt, wird es zum stabilen Isotop ⁸⁷ Mr.

Dank dessen wurde dieses Isotop verwendet, um das Alter der Erdmineralien und Gesteine ​​seit Beginn der Erde zu datieren.

Zusätzlich zu den ⁸⁵ Rb- und ⁸⁷ Rb- Isotopen gibt es andere synthetische und radioaktive Isotope mit variablen und viel kürzeren Lebensdauern; Zum Beispiel die ⁸² Rb (t _1/2 = 76 Sekunden), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 Tage), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 Tage) und ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 Tage). Von allen wird ⁸² Rb am häufigsten in medizinischen Studien verwendet.

Risiken

Metall

Rubidium ist ein so reaktives Metall, dass es in Glasampullen unter einer inerten Atmosphäre gelagert werden muss, damit es nicht mit Luftsauerstoff reagiert. Wenn die Blase bricht, kann das Metall zum Schutz in Kerosin oder Mineralöl gegeben werden. Es wird jedoch durch den in ihnen gelösten Sauerstoff oxidiert, wodurch Rubidiumperoxide entstehen.

Wenn andererseits entschieden wird, es beispielsweise auf Holz zu legen, brennt es mit einer violetten Flamme. Wenn es viel Feuchtigkeit gibt, brennt es nur, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Wenn ein großes Stück Rubidium in ein Wasservolumen geworfen wird, explodiert es heftig und entzündet sogar das erzeugte Wasserstoffgas.

Daher ist Rubidium ein Metall, mit dem nicht jeder umgehen sollte, da praktisch alle seine Reaktionen explosiv sind.

Ion

Im Gegensatz zu metallischem Rubidium stellen seine Rb ⁺ -Ionen kein offensichtliches Risiko für Lebewesen dar. Diese in Wasser gelösten interagieren mit Zellen auf die gleiche Weise wie K ⁺ -Ionen .

Daher haben Rubidium und Kalium ein ähnliches biochemisches Verhalten. Rubidium ist jedoch kein wesentliches Element, während Kalium es ist. Auf diese Weise können sich nennenswerte Mengen an Rb ⁺ in Zellen, roten Blutkörperchen und Eingeweiden ansammeln, ohne den Körper eines Tieres negativ zu beeinflussen.

Tatsächlich wurde geschätzt, dass ein erwachsener Mann mit einer Masse von 80 kg etwa 37 mg Rubidium enthält; und dass zusätzlich eine Erhöhung dieser Konzentration in der Größenordnung des 50- bis 100-fachen nicht zu unerwünschten Symptomen führt.

Ein Überschuss an Rb ⁺ -Ionen kann jedoch dazu führen, dass die K ⁺ -Ionen verdrängt werden . und folglich wird das Individuum bis zum Tod sehr starke Muskelkrämpfe erleiden.

Natürlich können Rubidiumsalze oder lösliche Verbindungen dies sofort auslösen, daher sollte keines von ihnen eingenommen werden. Darüber hinaus kann es durch einfachen Kontakt zu Verbrennungen kommen. Zu den giftigsten gehören Rubidiumfluorid (RbF), Hydroxid (RbOH) und Cyanid (RbCN) von Rubidium.

Anwendungen

Gassammler

Rubidium wurde verwendet, um Spuren von Gasen einzufangen oder zu entfernen, die sich in vakuumversiegelten Röhrchen befinden können. Gerade aufgrund ihrer hohen Neigung, Sauerstoff und Feuchtigkeit in ihnen einzufangen, eliminieren sie sie auf ihrer Oberfläche als Peroxide.

Pyrotechnik

Wenn Rubidiumsalze brennen, geben sie eine charakteristische rötlich-violette Flamme ab. Einige Feuerwerke haben diese Salze in ihrer Zusammensetzung, so dass sie mit diesen Farben explodieren.

Ergänzung

Rubidiumchlorid wurde zur Bekämpfung von Depressionen verschrieben, da Studien einen Mangel dieses Elements bei Personen mit dieser Erkrankung feststellten. Es wurde auch als Beruhigungsmittel und zur Behandlung von Epilepsie verwendet.

Bose-Einstein-Kondensat

Atome des ⁸⁷ Rb- Isotops wurden verwendet, um das erste Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen. Dieser Materiezustand besteht darin, dass Atome bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (0 K) gruppiert oder "kondensiert" werden und sich so verhalten, als wären sie eins.

So war Rubidium der Protagonist dieses Triumphs auf dem Gebiet der Physik, und es waren Eric Cornell, Carl Wieman und Wolfgang Ketterle, die dank dieser Arbeit 2001 den Nobelpreis erhielten.

Tumordiagnose

Das synthetische Radioisotop ⁸² Rb zerfällt und emittiert Positronen, die zur Akkumulation in kaliumreichen Geweben verwendet werden. wie diejenigen, die sich im Gehirn oder im Herzen befinden. Es wird daher verwendet, um die Funktionalität des Herzens und das Vorhandensein möglicher Tumoren im Gehirn mittels einer Positronenemissionstomographie zu analysieren.

Komponente

Rubidiumionen haben in verschiedenen Arten von Materialien oder Gemischen einen Platz gefunden. Zum Beispiel wurden seine Legierungen aus Gold, Cäsium, Quecksilber, Natrium und Kalium hergestellt. Es wurde Gläsern und Keramiken zugesetzt, wahrscheinlich um ihren Schmelzpunkt zu erhöhen.

In Solarzellen wurden Perowskite als wichtiger Bestandteil hinzugefügt. Ebenso wurde seine mögliche Verwendung als thermoelektrischer Generator, Wärmeübertragungsmaterial im Weltraum, Kraftstoff in Ionenantriebsmotoren, Elektrolytmedium für Alkalibatterien und in Atommagnetometern untersucht.

Atomuhren

Mit Rubidium und Cäsium wurden die berühmten, hochpräzisen Atomuhren hergestellt, die beispielsweise in GPS-Satelliten verwendet werden, mit denen die Besitzer ihrer Smartphones ihren Standort auf einer Straße ermitteln können.

Verweise

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