Rb · Элемент 37 · Щелочной металл
Мягкий щелочной металл с насыщенно-красной спектральной линией; его ионы используются в одних из самых точных часов в мире.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение рубидий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 248 pm — это 0,248 нм, поэтому около 2,02 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Рубидий находится в жидком состоянии в диапазоне 649 K — от 312 K до 961 K.
История
Рубидий — взрывоопасный щелочной металл, который самовоспламеняется на воздухе и горит эффектным фиолетовым пламенем. Этот мягкий серебристо-белый металл настолько реакционноспособен, что его необходимо хранить под маслом или инертным газом, чтобы предотвратить бурные реакции с влагой и кислородом. Названный по латинскому слову «rubidus», означающему «глубокий красный», рубидий даёт один из самых красивых цветов пламени в периодической таблице. Открытый в 1861 году немецкими химиками Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом с помощью недавно изобретённого ими спектроскопа, рубидий стал первым элементом, открытым с помощью спектроскопии. Они анализировали минерал лепидолит, когда заметили загадочные красные спектральные линии, не соответствовавшие ни одному известному элементу. Это открытие доказало, что спектроскопия может выявлять элементы, присутствующие в ничтожных количествах, и произвело революцию в аналитической химии. Рубидий необычен своей чрезвычайной реакционной способностью. Он ещё более реакционноспособен, чем калий и натрий: мгновенно воспламеняется при контакте с воздухом и бурно взрывается при попадании в воду. Реакция настолько энергична, что может разбить стеклянные сосуды. Поэтому рубидий увлекательно изучать, но опасно использовать — для работы с ним требуются специальные методы и оборудование. У рубидия есть несколько замечательных современных применений в передовых технологиях. Рубидиевые атомные часы относятся к самым точным приборам для измерения времени из когда-либо созданных: они теряют всего одну секунду за 100 000 лет. Спутники GPS используют рубидиевые часы для поддержания невероятной точности, необходимой для правильного определения положения. Эти часы измеряют колебания атомов рубидия, которые происходят ровно 6 834 682 610,904324 раза в секунду. Вот ещё один невероятный факт: рубидий используют для получения самых низких температур, когда-либо достигнутых, — всего на миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля. При таких сверхнизких температурах атомы рубидия образуют экзотические состояния материи, называемые конденсатами Бозе — Эйнштейна, в которых атомы ведут себя скорее как волны, чем как частицы.
Рубидий был открыт в 1861 году немецкими химиками Робертом Вильгельмом Бунзеном и Густавом Робертом Кирхгофом с помощью недавно разработанного метода спектроскопии, что стало одним из первых открытий элементов, сделанных посредством спектрального анализа, а не традиционных химических методов. Открытие произошло, когда два учёных анализировали минеральную воду из источников в Дюркхайме, Германия, используя революционный спектроскоп — прибор, разработанный ими для изучения характерного света, испускаемого разными элементами при нагревании. В ходе анализа Бунзен и Кирхгоф заметили две яркие красные спектральные линии, не соответствовавшие ни одному известному элементу, что указывало на присутствие ранее неизвестного вещества. Отличительный глубокий красный цвет этих спектральных линий вдохновил название «рубидий», происходящее от латинского слова «rubidus», означающего «глубокий красный» или «тёмно-красный». Открытие рубидия имело особое значение, поскольку продемонстрировало возможности спектроскопии как инструмента химического анализа и открытия элементов. Работа Бунзена и Кирхгофа с рубидием началась всего через несколько месяцев после открытия ими цезия с помощью тех же спектроскопических методов, что позволило считать их первопроходцами в области спектроскопического анализа. Выделение металлического рубидия оказалось сложной задачей из-за его чрезвычайной реакционной способности, и лишь несколько лет спустя удалось получить небольшие количества чистого металла электролизом соединений рубидия. Процесс открытия включал обширный химический анализ для отделения соединений рубидия от сложной смеси солей, присутствовавших в минеральной воде, и требовал инновационных методов разделения. Методичный подход Бунзена и Кирхгофа к изучению свойств рубидия заложил основу для понимания химии щелочных металлов и периодических взаимосвязей между элементами. Их открытие рубидия вместе с цезием дало важные свидетельства в пользу развивавшегося понимания строения атома и периодической классификации элементов, значительно способствуя развитию химической науки в XIX веке.
Применение
Рубидий нашёл специализированное применение в различных высокотехнологичных областях, особенно в исследованиях атомной физики, системах точного измерения времени и передовых оптических устройствах. Наиболее значимое применение элемента — атомные часы, в которых пары рубидия служат эталоном частоты для высокоточных систем измерения времени, используемых в спутниках GPS, телекоммуникационных сетях и научных исследованиях. Эти рубидиевые атомные часы обеспечивают точность, необходимую глобальным системам позиционирования и синхронизации коммуникационных сетей по всему миру. Электронная промышленность использует рубидий в специализированных вакуумных лампах и фотоэлементах, где уникальные фотоэлектрические свойства элемента делают его ценным для обнаружения и измерения света. Научно-исследовательские учреждения широко применяют рубидий в экспериментах по лазерному охлаждению и захвату атомов, изучая с его помощью явления квантовой механики и разрабатывая новые квантовые технологии. Элемент служит важным компонентом магнитометров, используемых при геологических исследованиях, поиске полезных ископаемых и измерении магнитных полей в научных работах. Соединения рубидия применяют в производстве специализированного стекла, где они могут улучшать определённые оптические свойства и химическую стойкость стеклянных изделий. В медицине исследовали потенциальное применение соединений рубидия для визуализации сердца и в качестве радиотрейсеров при позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Высокая реакционная способность рубидия делает его полезным в специализированных реакциях химического синтеза и в качестве катализатора в некоторых областях органической химии. Аэрокосмическая промышленность изучала рубидиевые ионные двигатели для двигательных установок космических аппаратов, где свойства элемента могут обеспечить эффективную тягу в длительных космических миссиях. Продолжаются исследования потенциального применения рубидия в квантовых вычислениях, где атомы рубидия демонстрируют перспективность для хранения и обработки квантовой информации. Элемент также находит нишевое применение в специализированных батареях и системах хранения энергии, где его уникальные электрохимические свойства дают определённые преимущества.
Наиболее распространённое применение рубидия — атомные часы, синхронизирующие спутники GPS и делающие точную навигацию возможной для миллиардов пользователей по всему миру через смартфоны, транспортные средства и самолёты. Телекоммуникационные компании используют рубидиевые эталоны частоты для поддержания точного времени в волоконно-оптических сетях и сотовых системах. Научно-исследовательские центры применяют ячейки с парами рубидия в лазерных системах для спектроскопии и точного измерения фундаментальных физических констант. Геологические исследовательские группы используют рубидиевые магнитометры для картирования подземных залежей полезных ископаемых и изучения изменений магнитного поля Земли. Военное и оборонное применение включает навигационные системы на основе рубидия, обеспечивающие позиционирование независимо от GPS для критически важных операций. Медицинские центры визуализации используют генераторы рубидия-82 для ПЭТ сердца, чтобы диагностировать сердечные заболевания и оценивать работу сердца. Научные лаборатории по всему миру применяют рубидий в экспериментах с конденсатами Бозе — Эйнштейна и другими экзотическими состояниями материи. Нефтегазовая отрасль использует рубидиевые магнитометры при разведке для поиска потенциальных мест бурения и картирования подповерхностных геологических структур. Производители специализированного стекла добавляют соединения рубидия для изготовления высокоэффективных оптических компонентов телескопов и прецизионных приборов. В учебных заведениях атомы рубидия используют в демонстрациях и экспериментах по физике для преподавания квантовой механики и атомной физики. Даже потребительские технологии косвенно выигрывают от применения рубидия благодаря точным системам синхронизации, обеспечивающим высокоскоростной интернет, цифровое телевидение и беспроводную связь. Сектор возобновляемой энергетики исследует системы хранения энергии на основе рубидия для сетевых приложений, где важны точные синхронизация и управление.
Откуда он происходит
90 мг/кг земной коры · более распространён, чем 82% элементов
Рубидий — сравнительно редкий щелочной металл со средней концентрацией около 90 частей на миллион в земной коре; он встречается чаще лития, но реже других щелочных металлов, таких как натрий и калий. Из-за чрезвычайной реакционной способности с водой и кислородом элемент никогда не встречается в природе в виде свободного металла, а присутствует в составе соединений различных минералов и геологических образований. Рубидий часто замещает калий в калийсодержащих минералах благодаря сходству их ионных радиусов и химических свойств, хотя и присутствует в значительно меньших концентрациях. Лепидолит, литийсодержащая слюда, содержит самые высокие природные концентрации рубидия; некоторые образцы содержат до 3% оксида рубидия. Поллуцит, минерал — силикат цезия и алюминия, также содержит значительные количества рубидия, замещающего цезий в кристаллической структуре. Карналлит, минерал — хлорид калия и магния, встречающийся в эвапоритовых отложениях, содержит следовые количества рубидия, накапливающиеся при образовании минерала. Морская вода содержит очень низкие концентрации рубидия — около 0,12 части на миллион, поэтому извлечение из океана экономически нецелесообразно, несмотря на огромный объём океанов. Рассолы соляных озёр, особенно с высоким содержанием калия, могут содержать повышенные концентрации рубидия и представлять потенциальный источник для промышленного извлечения. Некоторые глинистые минералы и полевые шпаты содержат рубидий как примесный элемент, однако эти источники экономически непригодны для производства рубидия. Элемент также встречается в небольших количествах в некоторых магматических породах, особенно в гранитах и пегматитах, где он концентрируется на заключительных стадиях кристаллизации. Большую часть промышленного рубидия получают как побочный продукт производства лития из лепидолита или как побочный продукт извлечения цезия из поллуцита. Географическое распределение ресурсов рубидия тесно связано с месторождениями лития и цезия; значительные источники находятся в Канаде, Зимбабве и некоторых районах США.
Обращение
Металлический рубидий представляет значительную опасность из-за чрезвычайной реакционной способности с водой и кислородом; для предотвращения опасных реакций необходимы специальные процедуры обращения и условия хранения. Чистый металл необходимо хранить в инертной атмосфере или минеральном масле, чтобы предотвратить окисление и контакт с влагой, поскольку воздействие воздуха или воды может вызвать бурную реакцию с выделением водорода и тепла. Следует избегать прямого контакта с металлическим рубидием, поскольку он может вызвать тяжёлые химические ожоги кожи и глаз; при любом контакте необходимо немедленно промыть поражённое место большим количеством воды, несмотря на возможность реакции. Соединения рубидия, хотя обычно менее опасны, чем металлическая форма, всё же могут раздражать кожу, глаза и дыхательную систему, поэтому при работе с ними необходимы соответствующие средства индивидуальной защиты. Следует предотвращать вдыхание пыли или паров рубидия с помощью достаточной вентиляции и средств защиты органов дыхания, поскольку воздействие может вызвать раздражение дыхательных путей и потенциальные системные эффекты. Радиоактивные изотопы элемента, особенно рубидий-87, требуют дополнительных мер радиационной безопасности, хотя природный изотоп имеет чрезвычайно длительный период полураспада и при обычных условиях представляет минимальную радиационную опасность. Лабораторный персонал, работающий с рубидием, должен быть обучен правильным методам обращения с высокореакционноспособными металлами и иметь под рукой инструкции по действиям в чрезвычайных ситуациях. Тушение пожаров с участием рубидия требует особого внимания: системы на основе воды могут усилить горение щелочных металлов, поэтому более подходящими являются системы с сухим порошком или инертным газом. Помещения для хранения рубидия должны быть оборудованы соответствующей вентиляцией, системами пожаротушения и средствами аварийного реагирования, предназначенными для пожаров с участием реакционноспособных металлов. Утилизация рубидия и его соединений требует специальных процедур и объектов, способных безопасно обращаться с реакционноспособными материалами. Беременным женщинам следует избегать воздействия соединений рубидия, а весь персонал должен пройти соответствующее обучение по безопасности до начала работы с этим высокореакционноспособным элементом. Процедуры аварийного реагирования должны включать инструкции по лечению химических ожогов и тушению пожаров с участием щелочных металлов.
Краткие ответы
Рубидий (символ Rb) — элемент 37 в периодической таблице, представитель семейства Щелочной металл в 5 периоде, 1 группе. Мягкий щелочной металл с насыщенно-красной спектральной линией; его ионы используются в одних из самых точных часов в мире. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 5s¹; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 8, 1.Рубидий плавится при 312.5 K (39.3 °C) и кипит при 961 K (687.9 °C).
Стандартная атомная масса Рубидий составляет 85.468 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Рубидий составляет 1.532 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Рубидий примерно в 1.5× тяжелее.
Электроотрицательность Рубидий по шкале Полинга составляет 0.82. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Такое низкое значение означает, что он легко отдаёт свои внешние электроны, образуя положительные ионы.
Рубидий был открыт в 1861 году Bunsen & Kirchhoff. Назван в честь латинское rubidus, «тёмно-красный» — по его спектральной линии.
На долю Рубидий приходится около 90 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.