Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Rubidium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 248 pm — das entspricht 0,248 nm; etwa 2,02 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Rubidium ist über einen Bereich von 649 K flüssig, von 312 K bis 961 K.
Die Geschichte
Rubidium ist das explosive Alkalimetall, das sich an der Luft spontan entzündet und mit einer spektakulären violetten Flamme brennt. Dieses weiche, silbrig-weiße Metall ist so reaktiv, dass es unter Öl oder inertem Gas gelagert werden muss, um heftige Reaktionen mit Feuchtigkeit und Sauerstoff zu verhindern. Benannt nach dem lateinischen Wort "rubidus" für tiefrot, erzeugt Rubidium eine der schönsten Flammenfärbungen im Periodensystem. Rubidium wurde 1861 von den deutschen Chemikern Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff mit ihrem neu erfundenen Spektroskop entdeckt und war das erste durch Spektroskopie entdeckte Element. Sie untersuchten das Mineral Lepidolith, als sie geheimnisvolle rote Spektrallinien bemerkten, die keinem bekannten Element zugeordnet werden konnten. Diese Entdeckung bewies, dass die Spektroskopie Elemente in winzigen Mengen nachweisen konnte, und revolutionierte die analytische Chemie. Was Rubidium absolut außergewöhnlich macht, ist seine extreme Reaktivität. Es ist sogar reaktiver als Kalium und Natrium, entzündet sich bei Kontakt mit Luft sofort und explodiert heftig, wenn es in Wasser fällt. Die Reaktion ist so energiereich, dass sie Glasbehälter zerschmettern kann. Das macht Rubidium faszinierend für die Forschung, aber gefährlich im Umgang – es erfordert spezielle Verfahren und Ausrüstung. Rubidium hat einige bemerkenswerte moderne Anwendungen in der Spitzentechnologie. Rubidium-Atomuhren gehören zu den präzisesten Zeitmessgeräten, die jemals entwickelt wurden, und verlieren nur eine Sekunde in 100.000 Jahren. GPS-Satelliten sind auf Rubidiumuhren angewiesen, um die für eine genaue Positionsbestimmung erforderliche unglaubliche Präzision aufrechtzuerhalten. Diese Uhren funktionieren, indem sie die Schwingungen von Rubidiumatomen messen, die genau 6.834.682.610,904324-mal pro Sekunde schwingen. Hier ist etwas Unglaubliches: Rubidium wird verwendet, um die niedrigsten jemals erreichten Temperaturen zu erzeugen – nur wenige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen ultraniedrigen Temperaturen bilden Rubidiumatome exotische Materiezustände, sogenannte Bose-Einstein-Kondensate, in denen sich Atome eher wie Wellen als wie Teilchen verhalten.
Rubidium wurde 1861 von den deutschen Chemikern Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Robert Kirchhoff mit der neu entwickelten Technik der Spektroskopie entdeckt. Damit gehört es zu den ersten Elementen, die durch Spektralanalyse statt durch traditionelle chemische Verfahren entdeckt wurden. Die Entdeckung erfolgte, als die beiden Wissenschaftler Mineralwasser aus den Quellen bei Dürkheim in Deutschland mit ihrem revolutionären Spektroskop untersuchten, einem Gerät, das sie zur Erforschung des charakteristischen Lichts entwickelt hatten, das verschiedene Elemente beim Erhitzen aussenden. Während ihrer Analyse beobachteten Bunsen und Kirchhoff zwei auffällige rote Spektrallinien, die keinem bekannten Element entsprachen und auf das Vorhandensein einer zuvor unbekannten Substanz hindeuteten. Die charakteristische tiefrote Farbe dieser Spektrallinien inspirierte den Namen "Rubidium", der vom lateinischen Wort "rubidus" für "tiefrot" oder "dunkelrot" abgeleitet ist. Die Entdeckung von Rubidium war besonders bedeutend, weil sie die Leistungsfähigkeit der Spektroskopie als Werkzeug für die chemische Analyse und die Entdeckung von Elementen demonstrierte. Bunsens und Kirchhoffs Arbeit mit Rubidium erfolgte nur wenige Monate nach ihrer Entdeckung von Cäsium mit denselben spektroskopischen Verfahren und etablierte sie als Pioniere der Spektralanalyse. Die Isolierung von metallischem Rubidium erwies sich aufgrund seiner extremen Reaktivität als schwierig. Erst einige Jahre später wurden durch die Elektrolyse von Rubidiumverbindungen kleine Mengen des reinen Metalls gewonnen. Der Entdeckungsprozess umfasste umfangreiche chemische Analysen, um Rubidiumverbindungen aus dem komplexen Salzgemisch im Mineralwasser abzutrennen, wofür innovative Trennverfahren erforderlich waren. Der methodische Ansatz von Bunsen und Kirchhoff bei der Bestimmung der Eigenschaften von Rubidium legte den Grundstein für das Verständnis der Chemie der Alkalimetalle und der periodischen Beziehungen zwischen den Elementen. Ihre Entdeckung von Rubidium und Cäsium lieferte wichtige Belege für das sich entwickelnde Verständnis der Atomstruktur und der periodischen Klassifikation der Elemente und trug im 19. Jahrhundert erheblich zum Fortschritt der chemischen Wissenschaft bei.
Anwendungen
Rubidium wird in verschiedenen Hightech-Bereichen eingesetzt, insbesondere in der Atomphysik, in Präzisionszeitsystemen und in modernen optischen Geräten. Die wichtigste Anwendung des Elements liegt in Atomuhren, in denen Rubidiumdampf als Frequenzstandard für hochpräzise Zeitsysteme dient, die in GPS-Satelliten, Telekommunikationsnetzen und der wissenschaftlichen Forschung verwendet werden. Diese Rubidium-Atomuhren liefern Genauigkeitswerte, die für globale Positionsbestimmungssysteme und die Synchronisierung weltweiter Kommunikationsnetze unerlässlich sind. Die Elektronikindustrie verwendet Rubidium in speziellen Vakuumröhren und Fotozellen, wo seine einzigartigen photoelektrischen Eigenschaften für die Erfassung und Messung von Licht wertvoll sind. Forschungseinrichtungen setzen Rubidium umfassend in Experimenten zur Laserkühlung und Atomfallen ein, in denen Rubidiumatome zur Untersuchung quantenmechanischer Phänomene und zur Entwicklung neuer Quantentechnologien dienen. Das Element ist ein wichtiger Bestandteil von Magnetometern, die bei geologischen Untersuchungen, der Mineralexploration und der Messung magnetischer Felder in der Forschung eingesetzt werden. Rubidiumverbindungen werden bei der Herstellung spezieller Gläser verwendet, wo sie bestimmte optische Eigenschaften und die chemische Beständigkeit von Glasprodukten verbessern können. In der Medizin wurden Rubidiumverbindungen auf mögliche Anwendungen in der Herzbildgebung und als Radiotracer bei Positronen-Emissions-Tomografie-(PET)-Untersuchungen untersucht. Die hohe Reaktivität von Rubidium macht es für spezielle chemische Synthesen und als Katalysator in bestimmten Anwendungen der organischen Chemie nützlich. Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat Rubidium-Ionentriebwerke für Antriebssysteme von Raumfahrzeugen untersucht, bei denen die Eigenschaften des Elements einen effizienten Antrieb für lang andauernde Weltraummissionen ermöglichen könnten. Die Forschung untersucht weiterhin mögliche Anwendungen von Rubidium in der Quanteninformatik, wo Rubidiumatome vielversprechende Eigenschaften für die Speicherung und Verarbeitung von Quanteninformationen zeigen. Das Element wird außerdem in Nischenanwendungen für spezielle Batterien und Energiespeichersysteme eingesetzt, bei denen seine einzigartigen elektrochemischen Eigenschaften Vorteile bieten.
Die am weitesten verbreitete Anwendung von Rubidium liegt in Atomuhren, die GPS-Satelliten synchronisieren und dadurch Milliarden von Menschen weltweit eine genaue Navigation mit Smartphones, Fahrzeugen und Flugzeugen ermöglichen. Telekommunikationsunternehmen verlassen sich auf Rubidium-Frequenzstandards, um eine präzise Zeitsteuerung in Glasfasernetzen und Mobilfunksystemen aufrechtzuerhalten. Wissenschaftliche Forschungseinrichtungen verwenden Rubidiumdampfzellen in Lasersystemen für die Spektroskopie und für Präzisionsmessungen grundlegender physikalischer Konstanten. Geologische Untersuchungsteams setzen Rubidiummagnetometer ein, um unterirdische Mineralvorkommen zu kartieren und Veränderungen des Erdmagnetfelds zu untersuchen. Zu den militärischen und verteidigungstechnischen Anwendungen gehören rubidiumbasierte Navigationssysteme, die für kritische Einsätze eine von GPS unabhängige Positionsbestimmung ermöglichen. Einrichtungen für medizinische Bildgebung verwenden Rubidium-82-Generatoren für kardiale PET-Untersuchungen zur Diagnose von Herzerkrankungen und zur Beurteilung der Herzfunktion. Forschungslabore weltweit nutzen Rubidium in Experimenten zu Bose-Einstein-Kondensaten und anderen exotischen Materiezuständen. Die Öl- und Gasindustrie setzt Rubidiummagnetometer bei der Exploration ein, um mögliche Bohrstellen zu finden und geologische Strukturen im Untergrund zu kartieren. Hersteller von Spezialglas verwenden Rubidiumverbindungen, um leistungsfähige optische Komponenten für Teleskope und Präzisionsinstrumente herzustellen. Hochschulen verwenden Rubidiumatome in Physikvorführungen und Experimenten, um Konzepte der Quantenmechanik und Atomphysik zu vermitteln. Auch Verbraucher profitieren indirekt von Rubidium durch präzise Zeitsysteme, die schnelles Internet, digitales Fernsehen und drahtlose Kommunikation ermöglichen. Der Bereich der erneuerbaren Energien untersucht rubidiumbasierte Energiespeichersysteme für Anwendungen im Stromnetz, bei denen präzise Zeitsteuerung und Regelung entscheidend sind.
Woher es stammt
90 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 82 % der Elemente
Rubidium ist ein relativ seltenes Alkalimetall mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 90 Teilen pro Million in der Erdkruste. Damit ist es häufiger als Lithium, aber seltener als andere Alkalimetalle wie Natrium und Kalium. Aufgrund seiner extremen Reaktivität mit Wasser und Sauerstoff kommt das Element in der Natur nie als freies Metall vor, sondern als Bestandteil von Verbindungen in verschiedenen Mineralien und geologischen Formationen. Wegen ihrer ähnlichen Ionenradien und chemischen Eigenschaften ersetzt Rubidium häufig Kalium in kaliumhaltigen Mineralien, allerdings in deutlich geringeren Konzentrationen. Lepidolith, ein lithiumhaltiger Glimmer, enthält die höchsten in der Natur vorkommenden Rubidiumkonzentrationen; einige Proben enthalten bis zu 3 % Rubidiumoxid. Pollucit, ein Cäsium-Aluminium-Silikatmineral, enthält ebenfalls bedeutende Mengen Rubidium, das in der Kristallstruktur Cäsium ersetzt. Carnallit, ein Kalium-Magnesium-Chloridmineral aus Evaporitlagerstätten, enthält Spuren von Rubidium, die sich während der Mineralbildung anreichern. Meerwasser enthält sehr geringe Rubidiumkonzentrationen von etwa 0,12 Teilen pro Million, sodass eine Gewinnung aus dem Meer trotz des riesigen Ozeanvolumens wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Salzseelaugen, insbesondere solche mit hohem Kaliumgehalt, können erhöhte Rubidiumkonzentrationen enthalten und eine mögliche Quelle für die industrielle Gewinnung darstellen. Einige Tonminerale und Feldspäte enthalten Rubidium als Spurenelement, doch diese Quellen sind für die Rubidiumproduktion wirtschaftlich nicht geeignet. Das Element kommt außerdem in geringen Mengen in einigen magmatischen Gesteinen vor, insbesondere in Granit- und Pegmatitformationen, wo es sich während der letzten Kristallisationsphasen anreichert. Das meiste kommerzielle Rubidium wird als Nebenprodukt der Lithiumgewinnung aus Lepidolith oder als Nebenprodukt der Cäsiumgewinnung aus Pollucit gewonnen. Die geografische Verteilung der Rubidiumvorkommen hängt eng mit Lithium- und Cäsiumlagerstätten zusammen; bedeutende Quellen befinden sich in Kanada, Simbabwe und Teilen der Vereinigten Staaten.
Handhabung
Rubidiummetall birgt aufgrund seiner extremen Reaktivität mit Wasser und Sauerstoff erhebliche Sicherheitsrisiken. Daher sind spezielle Handhabungsverfahren und Lagerbedingungen erforderlich, um gefährliche Reaktionen zu verhindern. Das reine Metall muss unter inerter Atmosphäre oder in Mineralöl gelagert werden, um Oxidation und Kontakt mit Feuchtigkeit zu verhindern, da der Kontakt mit Luft oder Wasser heftige Reaktionen auslösen kann, bei denen Wasserstoffgas und Wärme entstehen. Direkter Kontakt mit Rubidiummetall ist zu vermeiden, da es schwere chemische Verätzungen der Haut und Augen verursachen kann. Nach jedem Kontakt muss die betroffene Stelle sofort mit großen Mengen Wasser gespült werden, trotz der möglichen Reaktion. Rubidiumverbindungen sind im Allgemeinen weniger gefährlich als die metallische Form, können jedoch Haut, Augen und Atemwege reizen, weshalb bei ihrer Handhabung geeignete Schutzausrüstung erforderlich ist. Das Einatmen von Rubidiumstaub oder -dämpfen muss durch ausreichende Belüftung und Atemschutz verhindert werden, da die Exposition Atemwegsreizungen und mögliche systemische Auswirkungen verursachen kann. Die radioaktiven Isotope des Elements, insbesondere Rubidium-87, erfordern zusätzliche Strahlenschutzmaßnahmen, obwohl das natürliche Isotop eine extrem lange Halbwertszeit besitzt und unter normalen Bedingungen nur eine minimale Strahlengefahr darstellt. Laborpersonal, das mit Rubidium arbeitet, muss in geeigneten Verfahren für den Umgang mit hochreaktiven Metallen geschult sein und sollte jederzeit über Notfallmaßnahmen verfügen. Die Brandbekämpfung bei Rubidium erfordert besondere Vorsicht, da wasserbasierte Systeme Brände von Alkalimetallen verschlimmern können; daher sind Löschpulver oder Systeme mit inertem Gas besser geeignet. Lagerbereiche für Rubidium müssen mit geeigneter Belüftung, Brandbekämpfungssystemen und Notfallausrüstung für Brände reaktiver Metalle ausgestattet sein. Die Entsorgung von Rubidium und seinen Verbindungen erfordert spezielle Verfahren und Einrichtungen, die reaktive Materialien sicher handhaben können. Schwangere sollten den Kontakt mit Rubidiumverbindungen vermeiden, und alle Personen müssen vor der Arbeit mit diesem hochreaktiven Element eine geeignete Sicherheitsschulung absolvieren. Notfallmaßnahmen sollten Verfahren zur Behandlung chemischer Verätzungen und zur Bekämpfung von Bränden mit Alkalimetallen umfassen.
Schnelle Antworten
Rubidium (Symbol Rb) ist Element 37 im Periodensystem, ein Alkalimetall in der 5, Gruppe 1. Ein weiches Alkalimetall mit einer tiefroten Spektrallinie, dessen Ionen einige der präzisesten Uhren der Welt antreiben. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Kr] 5s¹; sie ergibt 5 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 8, 1.Rubidium schmilzt bei 312.5 K (39.3 °C) und siedet bei 961 K (687.9 °C).
Die Standardatommasse von Rubidium beträgt 85.468 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Rubidium hat eine Dichte von 1.532 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Rubidium ungefähr 1.5× schwerer.
Rubidium hat eine Elektronegativität von 0.82 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Ein so niedriger Wert bedeutet, dass es seine Außenelektronen leicht abgibt und dabei positive Ionen bildet.
Rubidium wurde 1861 von Bunsen & Kirchhoff entdeckt. Es ist nach lateinisch rubidus, „tiefrot“ — seine Spektrallinie benannt.
Rubidium macht Über 90 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.