Строение
Это не схема 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 связей.
Измеренные значения
Каждая полоса показывает, какое место рубидий занимает среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные массы IUPAC 2021 года · Справочник химии и физики CRC · NIST. Значения, отмеченные ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Radius 248 pm — that is 0.248 nm, so about 2016 million of them side by side would span a millimetre.
Тепловой диапазон
Рубидий is liquid over a 649 K window, from 312 K to 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 в честь латинского слова «rubidus», означающего «тёмно-красный», рубидий создаёт один из самых красивых цветов пламени в периодической таблице. Рубидий был открыт в 1861 году немецкими химиками Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом с помощью недавно изобретённого ими спектроскопа. Это был первый элемент, открытый методом спектроскопии. Учёные исследовали минерал лепидолит, когда заметили загадочные красные спектральные линии, не соответствовавшие ни одному известному элементу. Это открытие доказало, что спектроскопия позволяет обнаруживать элементы, присутствующие в очень малых количествах, и произвело революцию в аналитической химии. Рубидий делает совершенно необычным его чрезвычайная реакционная способность. 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 интересно 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 устройствам измерения времени: они теряют всего одну секунду за 100 000 лет. Спутники GPS используют рубидиевые часы для поддержания невероятной точности, необходимой для точного позиционирования. Эти часы измеряют колебания атомов рубидия, которые происходят ровно 6 834 682 610,904324 раза в секунду. Вот ещё один удивительный факт: рубидий используют для получения самых низких температур из когда-либо достигнутых — всего на миллиардные доли градуса выше абсолютного нуля. При таких сверхнизких температурах атомы рубидия образуют экзотические состояния вещества, 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. Это стало одним из первых открытий элементов, сделанных посредством спектрального анализа, а не традиционных химических методов. Открытие произошло, когда два учёных исследовали минеральную воду из источников в Дюркгейме, Германия, используя революционный спектроскоп — прибор, разработанный ими для изучения характерного света, испускаемого различными элементами при нагревании. В ходе анализа Бунзен и Кирхгоф обнаружили две яркие красные спектральные линии, не соответствовавшие ни одному известному элементу, что указывало на присутствие ранее неизвестного вещества. Характерный тёмно-красный цвет этих спектральных линий вдохновил название «рубидий», происходящее от латинского слова «rubidus», означающего «тёмно-красный» или «тёмно-красного цвета». 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 подтвердило их статус пионеров спектрального анализа. Выделение металлического рубидия оказалось сложной задачей из-за его чрезвычайной реакционной способности; лишь несколько лет спустя небольшие количества чистого металла удалось получить 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 стало важным доказательством формировавшегося представления об атомном строении и периодической классификации элементов, значительно способствовав развитию химической науки в XIX веке.
Применение
Рубидий нашёл специализированное применение в различных высокотехнологичных областях, особенно в исследованиях атомной физики, системах точного отсчёта 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 для глобальных систем позиционирования и синхронизации коммуникационных сетей по всему миру. Электронная промышленность использует рубидий в специализированных электронных 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 для геологических исследований, разведки полезных ископаемых и измерения магнитных полей в научных работах. Соединения рубидия применяют в производстве специализированного стекла, где они могут улучшать некоторые оптические свойства и химическую стойкость стеклянных изделий. В медицине исследовали потенциальное применение соединений рубидия для визуализации сердца и в качестве радиометок 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 эффективное движение при 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, автомобили 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 месторождений полезных ископаемых и изучения изменений магнитного поля Земли. Военное и оборонное применение включает навигационные системы на основе рубидия, обеспечивающие позиционирование независимо от GPS при проведении критически важных операций. Медицинские центры визуализации используют генераторы рубидия-82 для ПЭТ-исследований сердца, чтобы диагностировать сердечные заболевания и оценивать работу сердца. Научные лаборатории по всему миру применяют рубидий в экспериментах по изучению конденсатов Бозе — Эйнштейна и других экзотических состояний вещества. Нефтегазовая отрасль использует рубидиевые магнитометры при разведке для поиска потенциальных мест бурения и картирования подземных геологических структур. Производители специализированного стекла добавляют соединения рубидия для изготовления высокоэффективных оптических компонентов телескопов и точных 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 системам точного отсчёта времени, обеспечивающим работу высокоскоростного интернета, цифрового телевидения и беспроводной связи. Сектор возобновляемой энергетики исследует системы хранения энергии на основе рубидия для применения в масштабах энергосетей, где важны точное время и управление.
Откуда он берётся
90 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 82% of elements
Рубидий — относительно редкий щелочной металл со средней концентрацией около 90 частей на миллион в земной коре. Он более распространён, чем литий, но встречается реже, чем другие щелочные металлы, такие как натрий и калий. В природе элемент не встречается в виде свободного металла из-за чрезвычайной реакционной способности с водой и кислородом; вместо этого он входит в состав соединений в различных минералах и геологических образованиях. Рубидий часто замещает калий в калийсодержащих минералах благодаря сходству их ионных радиусов и химических свойств, хотя и присутствует в гораздо меньших концентрациях. Лепидолит, литийсодержащая слюда, содержит самые высокие концентрации рубидия в природе; 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 во время образования минерала. В морской воде содержится очень мало 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 невыгодны для производства рубидия. Элемент также присутствует в небольших количествах в некоторых магматических породах, особенно в гранитах и пегматитах, где он концентрируется на последних 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, поэтому для предотвращения опасных реакций требуются 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 газа 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 промывать поражённые участки большим количеством воды, несмотря на возможную реакцию. Соединения рубидия, хотя обычно менее опасны, чем металлическая форма, всё же могут раздражать кожу, глаза и дыхательную систему, поэтому при работе с ними необходимо использовать надлежащие 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 в обычных условиях представляет минимальную радиационную опасность. Лабораторные сотрудники, работающие с рубидием, должны быть обучены правильным методам обращения с высокореакционноспособными металлами и иметь под рукой инструкции на случай чрезвычайных ситуаций. Тушение пожаров с участием рубидия требует особого внимания, поскольку системы на водной основе могут усилить возгорание щелочных металлов; поэтому более подходящими являются системы с сухим порошком или инертным газом. Помещения для хранения рубидия должны быть оборудованы надлежащей вентиляцией, системами пожаротушения и средствами реагирования на чрезвычайные ситуации, подходящими 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 технике безопасности до начала работы с этим высокореакционноспособным элементом. Процедуры реагирования на чрезвычайные ситуации должны включать протоколы лечения химических ожогов и тушения пожаров с участием щелочных металлов.
Краткие ответы
Рубидий (symbol Rb) is element 37 on the periodic table, a щелочной металл in period 5, group 1. A soft alkali metal whose spectral line is deep red, and whose ions run some of the world's most precise clocks. At room temperature it is a solid.
[Kr] 5s¹, giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 8, 1 electrons respectively.Рубидий melts at 312.5 K (39.3 °C) and boils at 961 K (687.9 °C).
The standard atomic weight of Рубидий is 85.468 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
Рубидий has a density of 1.532 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of рубидий is about 1.5× heavier.
Рубидий has a Pauling electronegativity of 0.82. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.
Рубидий was discovered in 1861 by Bunsen & Kirchhoff. It is named after latin rubidus, "deep red" — its spectral line.
Рубидий makes up about 90 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.