(Rubidium; от лат. rubidus - красный, темно-красный), Rb - хим. элемент I группы периодической системы элементов] ат. н.37, ат. м. 85,47. Серебристо-белый металл. В соединениях проявляет степень окисления + 1. Природный Р. состоит из стабильного изотопа 85Rb (72,15%) и радиоактивного изотопа 87Rb (27,85%) с периодом полураспада 5 10 10 лет. Получено более 20 радиоактивных изотопов, из к-рых наибольшее применение находит изотоп 86Rb с периодом полураспада 18,66 дней. Р. открыли (1861) нем. химик Р. В. Бунзен и нем. физик Г. Р. Кирхгоф при изучении спектра гексахлороплатинатов щелочных металлов, осажденных из маточника после разложения одного из образцов лепидолита.
Металлический рубидий впервые получил (1863) Р. В. Бунзен восстановлением гидротартрата рубидия углеродом. Р.- один из редких и весьма рассеянных элементов. Содержание его в земной коре 1,5 10 -2 %. В свободном состоянии в природе не встречается из-за большой хим. активности. Входит в состав 97 минералов, из к-рых источниками получения Р. служат и циннвальдит. Содержится в магматических, щелочных и осадочных породах, в гранитных пегматитах, почве, во мн. солях, в морской воде, живых организмах и растениях, в каменном угле. Кристаллическая решетка Р.- объемноцентрированная кубическая с периодом а - 5,70 А (т-ра 0Р С). Атомный радиус 2,48 А, ионный радиус Rb+ равен 1,49 а. Плотность (т-ра 0° С) 1,5348 г/см3; tпл 38,7°С; tкип 703° С; ср. термический коэфф. линейного расширения в интервале т-р 0-38° С равен 9,0 10 -5 град-1; теплоемкость при т-рах 0 и 25° С равна соответственно 7,05 и 7,43 кал/г-атом град; удельное электрическое сопротивление при т-ре 0°С составляет 11,25 мком см. Металлический Р. парамагнитен. Р.- мягкий, пластичный металл. Твердость по шкале Мооса - 0,3; НВ =0,022; модуль норм, упругости 240 кгс/мм2; давление истечения пр и т-ре 22° С равно 0,08 кгс/мм2; сжимаемость при комнатной т-ре 5,20 · 10 -3 кгс/мм2. Пары Р. окрашены в оранжевый цвет.
Летучие соединения рубидия окрашивают пламя газовой горелки в синевато-красный (фиолетовый) цвет. Рубидий отличается высокой реакционной способностью, превышающей реакционную способность калия, натрия и лития. На воздухе металл мгновенно окисляется с воспламенением, образуя перекись Rb202 и надперекись Rb02. С кислородом в зависимости от условий окисления дает окись Rb20, перекись Rb202, надперекись Rb02, озонид Rb03 и гидроокись RbOH. При взаимодействии с водородом образуется гидрид RbH - белое кристаллическое вещество, отличающееся большой хим. активностью. Р. непосредственно соединяется (с воспламенением) с галогенами, образуя RbF, RbCl, RbBr и Rbl - бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в воде и мн. органических растворителях. В жидком азоте при электр. разряде между электродами, изготовленными из Р, получают нитрид Rb3N - зеленый или синий очень гигроскопичный малоустойчивый порошок. Обменной реакцией между азидом бария и сульфатом Р., взаимодействием амида Р. с закисью азота получают азид RbN3. Известны соединения рубидия с серой, селеном и теллуром - халькоъениды. Сульфид Rb2S 4H20 - белый мелкокристаллический порошок, расплывающийся на воздухе; безводный Rb2S - темно-красный кристаллический порошок. Белый кристаллический порошок селенида Rb2Se и светло-желтый порошок ида Rb2Te разлагаются на воздухе. С углеродом Р. образует ацетилид Rb2C2, соединения C8Rb, C24Rb и др.; с фосфором - Rb2P5, RbPHa, с кремнием - силицид RbSi. При замене водорода неорганической к-ты на Р. получают соответствующую соль - сульфат, карбонат, нитрат и др. Со мн. металлами, включая щелочные, Р. образует .
В реакциях с неорганическими соединениями ведет себя как восстановитель. В пром-сти металлический рубидий получают в основном вакуумно-термическим восстановлением, действуя на соли Р., напр. на галоидные соединения, магнием или кальцием при высоких т-рах в вакууме. Для произ-ва Р.прибегают также к электрохимическому способу. При электролизе, напр., расплава хлорида RbCl иа жидком свинцовом катоде получают свинцоворубидиевый сплав, из к-рого металл выделяют дистилляцией в вакууме. Небольшое количество очень чистого металла получают нагреванием азида Р. до т-ры 390- 395° С в вакууме. Пары Р. используют в лазерах, в чувствительных магнитометрах, необходимых при космических исследованиях, геофизических поисках нефти и т. п. Лампы низкого давления с парами Р. используют как источники резонансного излучения. Металлический Р. применяют в гидридных топливных элементах, он входит в состав металлических теплоносителей для ядерных реакторов, используется для изготовления высокоэффективных фотоэлектронных умножителей, находит применение в вакуумных радиолампах - в качестве геттера и для создания положительных ионов на нитях накала. Кроме того, рубидий используют в ядерных гироскопах, с помощью к-рых определяют изменение углового положения или угловую скорость в сверхстабильных стандартах частот; он входит в состав смазочных материалов, используемых в реактивной и космической технике; окись RbaO используют в сложных фотокатодах, она входит в состав электродных стекол, рН-метров; смесь хлоридов Р. и меди применяют при изготовлении термисторов для повышенных т-р (до 290° С).
Характеристика элемента
В 1861 г. при исследовании соли минеральных источников спектральным анализом Роберт Бунзеи обнаружил новый элемент. Его наличие доказывалось темно-красными линиями в спектре, которых не давали другие элементы. По цвету этих линий элемент и был назван рубидием (rubidus - темно — красный). В 1863 г. Р. Бунзен получил этот металл и в чистом виде восстановлением тартрата рубидия (виннокислой соли) сажей.
Особенностью элемента является легкая возбудимость его атомов. Электронная эмиссия у него появляется под действием красных лучей видимого спектра. Это связано с небольшой разницей в энергиях атомных 4 d и 5 s -орбиталей. Из всех щелочных элементов, имеющих стабильные , рубидию (как и цезию) принадлежит один из самых больших атомных радиусов и маленький потенциал ионизации. Такие параметры определяют характер элемента: высокую электроположительность, чрезвычайную химическую активность, низкую температуру плавления (39° С) и малую устойчивость к внешним воздействиям.
Свойства простого вещества и соединений
Внешне компактный рубидий - блестящий серебристо-белый металл. При обычной-температуре своим состоянием напоминает пасту. Он легок, так как его плотность всего 1,5 г/см ³ , плохо проводит электрический ток, его пары имеют зеленовато-синий цвет. В соединениях является исключительно катионом со степенью окисления +1. Связь практически на 100% ионная, так как атом рубидия отличается высокой поляризуемостью и отсутствием поляризующего действия на большинство атомов и ионов. Высокая активность его приводит к тому, что на воздухе он мгновенно загорается, а со льдом бурно реагирует даже при температуре ниже — 100 °С. Результатом окисления этого металла является пероксид Rb 2 O 2 и супероксид Rb 2 O 4 . Оксид Rb 2 O образуется при соблюдении специальных условий. Гидроксид RbOH — бесцветные кристаллы с t пл = 301°С. Из растворов выделяется в виде кристаллогидратов RbOH · H 2 O и RbOH · 2H 2 O .
С галогенами, серой , фосфором , оксидом углерода (IV) и четыреххлористым углеродом металл реагирует со взрывом. В тихом электрическом заряде с азотом образует нитрид Rb 3 N . Выше 300 °С металл способен разрушать , восстанавливая из SiO 2 :
2Rb + SiO 2 = Rb 2 O 2 + Si
При нагревании расплавленного рубидия в атмосфере водорода образуется малоустойчивый гидрид RbH , окисляющийся с воспламенением под действием влаги воздуха.
Получение и использование рубидия
Рубидий распространён в природе довольно широко: содержание его в земной каре составляет 3,1 · 10 ˉ ² % . Однако собственных минералов не образует и встречается вместе с другими щелочными металлами (всегда сопутствует калию) . Извлекается попутно при переработке минерального сырья в частности лепидолита и карналлита, с целью извлечения соединений калия и магния. Рубидиевые препараты иногда применялись в медицине как снотворные и болеутоляющие средства и при лечении некоторых форм эпилепсии. В аналитической химии соединения рубидия используются как специфические реактивы на
Содержание статьи
РУБИДИЙ (Rubidium) Rb, химический элемент 1-й (Ia) группы Периодической системы. Щелочной элемент. Атомный номер 37, относительная атомная масса 85,4678. В природе встречается в виде смеси стабильного изотопа 85 Rb (72,15%) и радиоактивного изотопа 87 Rb (27,86%) с периодом полураспада 4,8 . 10 10 лет. Искусственно получено еще 26 радиоактивных изотопов рубидия с массовыми числами от 75 до 102 и периодами полураспада от 37 мс (рубидий-102) до 86 дней (рубидий-83).
Степень окисления +1.
Рубидий был открыт в 1861 немецкими учеными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгоффом и стал одним из первых элементов, открытых методом спектроскопии, который был изобретен Бунзеном и Кирхгоффом в 1859. Название элемента отражает цвет наиболее яркой линии в его спектре (от латинского rubidus глубокий красный).
Изучая с помощью спектроскопа различные минералы, Бунзен и Кирхгофф заметили, что один из образцов лепидолита, присланный из Розены (Саксония), дает линии в красной области спектра. (Лепидолит минерал калия и лития, который имеет примерный состав K 2 Li 3 Al 4 Si 7 O 21 (OH,F) 3 .) Эти линии не встречались в спектрах ни одного из известных веществ. Вскоре аналогичные темно-красные линии были обнаружены в спектре осадка, полученного после испарения воды из образцов, взятых из минеральных источников Шварцвальда. Однако содержание нового элемента в опробованных образцах было ничтожным, и чтобы извлечь мало-мальски ощутимые количества, Бунзену пришлось выпаривать свыше 40 м 3 минеральных вод. Из упаренного раствора он осадил смесь хлороплатинатов калия, рубидия и цезия. Для отделения рубидия от его ближайших родственников (и особенно от большого избытка калия) Бунзен подверг осадок многократной фракционированной кристаллизации и получил хлориды рубидия и цезия из наименее растворимой фракции и затем перевел их в карбонаты и тартраты (соли винной кислоты), что позволило еще лучше очистить рубидий и освободить его от основной массы цезия. Бунзену удалось получить не только отдельные соли рубидия, но и сам металл. Металлический рубидий был впервые получен при восстановлении сажей кислой соли гидротартрата рубидия.
Спустя четверть века русский химик Николай Николаевич Бекетов предложил другой способ получения металлического рубидия восстановлением его из гидроксида алюминиевым порошком. Он проводил этот процесс в железном цилиндре с газоотводной трубкой, которая соединялась со стеклянным резервуаром-холодильником. Цилиндр подогревался на газовой горелке, и в нем начиналась бурная реакция, сопровождавшаяся выделением водорода и возгонкой рубидия в холодильник. Как писал сам Бекетов, «рубидий гонится постепенно, стекая, как ртуть, и сохраняя даже свой металлический блеск вследствие того, что снаряд во время операции наполнен водородом».
Распространение рубидия в природе и его промышленное извлечение. Содержание рубидия в земной коре составляет 7,8·10 3 %. Это примерно столько же, как для никеля, меди и цинка. По распространенности в земной коре рубидий находится примерно на 20-м месте, однако в природе он находится в рассеянном состоянии, рубидий типичный рассеянный элемент. Собственные минералы рубидия неизвестны. Рубидий встречается вместе с другими щелочными элементами, он всегда сопутствует калию. Обнаружен в очень многих горных породах и минералах, найденных, в частности, в Северной Америке, Южной Африке и России, но его концентрация там крайне низка. Только лепидолиты содержат несколько больше рубидия, иногда 0,2%, а изредка и до 13% (в пересчете на Rb 2 О).
Соли рубидия растворены в воде морей, океанов и озер. Концентрация их и здесь очень невелика, в среднем порядка 100 мкг/л. В отдельных случаях содержание рубидия в воде выше: в Одесских лиманах оно оказалось равным 670 мкг/л, а в Каспийском море 5700 мкг/л. Повышенное содержание рубидия обнаружено и в некоторых минеральных источниках Бразилии.
Из морской воды рубидий перешел в калийные соляные отложения, главным образом, в карналлиты. В страссфуртских и соликамских карналлитах содержание рубидия колеблется в пределах от 0,037 до 0,15%. Минерал карналлит сложное химическое соединение, образованное хлоридами калия и магния с водой; его формула KCl·MgCl 2 ·6H 2 O. Рубидий дает соль аналогичного состава RbCl·MgCl 2 ·6H 2 O, причем обе соли калиевая и рубидиевая имеют одинаковое строение и образуют непрерывный ряд твердых растворов, кристаллизуясь совместно. Карналлит хорошо растворим в воде, потому вскрытие минерала не составляет большого труда. Сейчас разработаны и описаны в литературе рациональные и экономичные методы извлечения рубидия из карналлита, попутно с другими элементами.
Тем не менее, большую часть добываемого рубидия получают как побочный продукт при производстве лития из лепидолита. После выделения лития в виде карбоната или гидроксида рубидий осаждают из маточных растворов в виде смеси алюморубидиевых, алюмокалиевых и алюмоцезиевых квасцов MAl(SO 4) 2 ·12H 2 O (M = Rb, K, Cs). Смесь разделяют многократной перекристаллизацией. Рубидий выделяют и из отработанного электролита, получающегося при получении магния из карналлита. Из него рубидий выделяют сорбцией на осадках ферроцианидов железа или никеля. Затем ферроцианиды прокаливают и получают карбонат рубидия с примесями калия и цезия. При получении цезия из поллуцита рубидий извлекают из маточных растворов после осаждения Cs 3 . Можно извлекать рубидий и из технологических растворов, образующихся при получении глинозема из нефелина.
Для извлечения рубидия используют методы экстракции и ионообменной хроматографии. Соединения рубидия высокой чистоты получают с использованием полигалогенидов.
Значительную часть производимого рубидия выделяют в ходе получения лития, поэтому появление большого интереса к литию для использования его в термоядерных процессах в 1950-х привело к уведичению добычи лития, а, следовательно, и рубидия и поэтому соединения рубидия стали более доступными.
Рубидий один из немногих химических элементов, ресурсы и возможности добычи которого больше, чем нынешние потребности в нем. Официальная статистика по производству и использованию рубидия и его соединений отсутствует. Считают, что годовое производство рубидия составляет около 5 т.
Рынок рубидия очень мал. Активная торговля металлом не ведется, и рыночной цены на него нет. Цены, установленные компаниями, торгующими рубидием и его соединениями, различаются в десятки раз.
Характеристика простого вещества, промышленное получение и применение металлического рубидия. Рубидий мягкий серебристо-белый металл. При обычной температуре он имеет почти пастообразную консистенцию. Плавится рубидий при 39,32° С, кипит при 687,2° С. Пары рубидия окрашены в зеленовато-синий цвет.
Рубидий обладает высокой реакционной способностью. На воздухе он мгновенно окисляется и воспламеняется, образуя надпероксид RbO 2 (с примесью пероксида Rb 2 O 2):
Rb + O 2 = RbO 2 , 2Rb + O 2 = Rb 2 O 2
С водой рубидий реагирует со взрывом c образованием гидроксида RbOH и выделением водорода: 2Rb + 2H 2 O = 2RbOH + H 2 .
Рубидий непосредственно соединяется с большинством неметаллов. Однако с азотом он в обычных условиях не взаимодействует. Нитрид рубидия Rb 3 N образуется при пропускании в жидком азоте электрического разряда между электродами, изготовленными из рубидия.
Рубидий восстанавливает оксиды до простых веществ. Он реагирует со всеми кислотами с образованием соответствующих солей, а со спиртами дает алкоголяты:
2Rb + 2C 2 H 5 OH = 2C 2 H 5 ORb + H 2
Рубидий растворяется в жидком аммиаке, при этом получаются синие растворы, содержащие сольватированные электроны и обладающие электронной проводимостью.
Со многими металлами рубидий образует сплавы и интерметаллические соединения. Соединение RbAu, в котором связь между металлами имеет частично ионный характер, является полупроводником.
Металлический рубидий получают, в основном, восстановлением соединений рубидия (обычно галогенидов), кальцием или магнием:
2RbCl + 2Ca = 2Rb + CaCl 2
Rb 2 CO 3 + 3Mg = 2Rb + 3MgO + C
Реакцию галогенида рубидия с магнием или кальцием проводят при 600800° С и 0,1 Па. Продукт очищают от примесей ректификацией и вакуумной дистилляцией.
Можно получить рубидий электрохимическим способом из расплава галогенида рубидия на жидком свинцовом катоде. Из образовавшегося свинцово-рубидиевого сплава рубидий выделяют дистилляцией в вакууме.
В небольших количествах рубидий получают восстановлением хромата рубидия Rb 2 CrO 4 порошком циркония или кремния, а рубидий высокой чистоты путем медленного термического разложения азида рубидия RbN 3 в вакууме при 390395° С.
Металлический рубидий компонент материала катодов для фотоэлементов и фотоэлектрических умножителей, хотя по чувствительности и диапазону действия рубидиевые фотокатоды уступают некоторым другим, в частности цезиевым. Он входит в состав смазочных композиций, используемых в реактивной и космической технике. Пары рубидия используют в разрядных электрических трубках.
Металлический рубидий является компонентом катализаторов (его наносят на активную окись алюминия, силикагель, металлургический шлак) доокисления органических примесей в ходе производства фталевого ангидрида, а также процесса получения циклогексана из бензола. В его присутствии реакция идет при более низких температурах и давлениях, чем при активации катализаторов натрием или калием, и ему почти не мешают «смертельные» для обычных катализаторов яды вещества, содержащие серу.
Рубидий опасен в обращении. Хранят его в ампулах из специального стекла в атмосфере аргона или в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного минерального масла.
Соединения рубидия. Рубидий образует соединения со всеми обычными анионами. Почти все соли рубидия хорошо растворимы в воде. Как и у калия мало растворимы соли Rb 2 SiF 6 , Rb 2 PtCl 6 .
Соединения рубидия с кислородом.
Рубидий образует многочисленные кислородные соединения, в том числе, оксид Rb 2 O, пероксид Rb 2 O 2 , надпероксид RbO 2 , озонид RbO 3 . Все они окрашены, например, Rb 2 O ярко-желтый, а RbO 2 темно-коричневый. Надпероксид рубидия образуется при сжигании рубидия на воздухе. Пероксид рубидия получают окислением рубидия, растворенного в безводном аммиаке, безводным пероксидом водорода, а оксид рубидия нагреванием смеси металлического рубидия и его пероксида. Оксид, пероксид и надпероксид термически устойчивы, они плавятся при температуре около 500° С.
Методом рентгеноструктурного анализа было показано, что соединение состава Rb 4 O 6 , полученное в твердом состоянии реакцией Rb 2 O 2 с RbO 2 в соотношении 1:2, имеет состав . При этом двухатомные анионы кислорода разных типов (пероксид и надпероксид) в кубической элементарной ячейке неразличимы даже при 60° С. Это соединение плавится при 461° С.
Озонид рубидия RbО 3 образуется при действии озона на безводный порошок RbОН при низкой температуре:
4RbOH + 4O 3 = 4RbO 3 + 2H 2 O + O 2
Частичное окисление рубидия при низких температурах дает соединение состава Rb 6 O, которое разлагается выше 7,3° С с образованием блестящих кристаллов медного цвета, имеющих состав Rb 9 O 2 . Под действием воды соединение Rb 9 O 2 воспламеняется. При 40,2° С оно плавится с разложением и образованием Rb 2 O и Rb в соотношении 2:5.
Карбонат рубидия Rb 2 CO 3 плавится при 873° С, хорошо растворим в воде: при 20° С в 100г воды растворяется 450г карбоната рубидия.
В 1921 немецкие химики Франц Фишер (Fischer Franz) (18771947) и Ганс Тропш (Tropsch Hans) (18891935) нашли, что карбонат рубидия превосходный компонент катализатора для получения синтетической нефти синтола (смесь спиртов, альдегидов и кетонов, образующаяся из водяного газа при 410° C и давления 140150 атм в присутствии специального катализатора).
Карбонат рубидия оказывает положительное действие на процесс полимеризации аминокислот, с его помощью получены синтетические полипептиды с молекулярной массой до 40 000, причем реакция протекает очень быстро.
Гидрид рубидия RbH получают взаимодействием простых веществ при нагревании под давлением 510 МПа в присутствии катализатора:
2Rb + H 2 = 2RbH
Это соединение плавится при 585° С; разлагается под действием воды.
Галогениды рубидия RbF, RbCl, RbBr, RbI получают при взаимодействии гидроксида или карбоната рубидия с соответствующими галогеноводородными кислотами, при реакции сульфата рубидия с растворимыми галогенидами бария, а также при пропускании сульфата или нитрата рубидия через ионообменную смолу.
Галогениды рубидия хорошо растворимы в воде, хуже в органических растворителях. Они растворяются в водных растворах галогеноводородных кислот, образуя в растворе гидрогалогениды, устойчивость которых падает от гидродифторида RbHF 2 к гидродииодиду RbHI 2 .
Фторид рубидия входит в состав специальных стекол и композиций для аккумулирования тепла. Он является оптическим материалом, прозрачным в диапазоне 916 мкм. Хлорид рубидия служит электролитом в топливных элементах. Его добавляют в специальные чугунные отливки для улучшения их механических свойств, он является компонентом материала катодов электроннолучевых трубок.
У смесей хлоридов рубидия с хлоридами меди, серебра или лития электрическое сопротивление падает с повышением температуры столь резко, что они могут стать весьма удобными термисторами в различных электрических установках, работающих при температуре 150290° C.
Иодид рубидия используется как компонент люминесцентных материалов для флуоресцирующих экранов, твердых электролитов в химических источниках тока. Соединение RbAg 4 I 5 имеет самую высокую электропроводность из всех известных ионных кристаллов. Его можно использовать в тонкопленочных батареях.
Комплексные соединения . Для рубидия не характерно образование ковалентных связей. Наиболее устойчивыми являются его комплексы с полидентатными лигандами, например с краун-эфирами, где он обычно проявляет координационное число 6.
Другая группа очень эффективных лигандов, которые в последнее время используются для координации катионов щелочных элементов, макроциклические полидентатные лиганды, которые французский химик-органик Жан Мари Лен назвал криптандами (рис. 1).
Рубидий образует комплекс CNS . H 2 O, в котором криптанд N{(CH 2 CH 2 O) 2 CH 2 CH 2 } 3 N (crypt) заключает катион в координационной полиэдр, имеющий форму двухшапочной тригональной призмы (рис. 2).
Озонид рубидия образует устойчивые растворы в органических растворителях (таких как CH 2 Cl 2 , тетрагидрофуран или СН 3 CN), если катион координирован краун-эфирами или криптандами. Медленное выпаривание аммиачных растворов таких комплексов приводит к образованию красных кристаллов. Рентгеноструктурный анализ соединения состава показал, что координационное число атома рубидия равно 9. Он образует шесть связей с краун-эфиром, две с ионом O 3 и одну с молекулой аммиака.
Применение изотопов рубидия.
Рубидий-87 самопроизвольно испускает электроны (b -излучение) и превращается в изотоп стронция. Около 1% стронция образовалось на Земле именно этим путем, и если определить соотношение изотопов стронция и рубидия с массовым числом 87 в какой-либо горной породе, то можно с большой точностью вычислить ее возраст. Такой метод пригоден применительно к наиболее древним породам и минералам. С его помощью установлено, например, что самые старые скальные породы американского континента возникли 2100 млн лет тому назад.
Радионуклид рубидия-82 с периодом полураспада 76 с используется в диагностике. С его помощью, в частности, оценивают состояние миокарда. Изотоп вводится в кровеносную систему пациента, и кровоток анализируется методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).
Елена Савинкина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Рубидий - тридцать седьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Rb от латинского «rubidium». Расположен в пятом периоде, IA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 37.
В виде простого вещества представляет собой белый (рис. 1), мягкий, весьма низкоплавкий (температура плавления равна 39,3°С) металл. Пар рубидия окрашен в зеленовато-синий цвет. Растворяется в жидком аммиаке с образованием темно-синего раствора. Чрезвычайно реакционноспособный; сильнейший восстановитель. Энергично реагирует с кислородом воздуха и водой (идет воспламенение металла и выделяющегося водорода), разбавленными кислотами,неметаллами, аммиаком, сероводородом. Не реагирует с азотом. Хорошо сохраняется лишь под слоем парафинового или вазелинового масла. С ртутью образует амальгаму. Окрашивает пламя газовой горелки в фиолетовый цвет.
Рис. 1. Рубидий. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса рубидия
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии рубидий существует в виде одноатомных молекул Rb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 85,4678.
Изотопы рубидия
Известно, что в природе рубидий может находиться в виде двух стабильных изотопов 85 Rb (72,2%) и 87 Rb (27,8%). Их массовые числа равны 85 и 87 соответственно. Ядро атома изотопа рубидия 85 Rb содержит тридцать семь протонов и сорок восемь нейтронов, а изотопа 85 Rb - столько же протонов и пятьдесят нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы рубидия с массовыми числами от 71-го до 102-х, а также шестнадцать изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 86 Rb с периодом полураспада равным 18,642 суток.
Ионы рубидия
На внешнем энергетическом уровне атома рубидия имеется один электрон, который является валентным:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 .
В результате химического взаимодействия рубидий отдает свой валентный электрон, т.е. является его донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Rb 0 -1e → Rb + .
Молекула и атом рубидия
В свободном состоянии рубидий существует в виде одноатомных молекул Rb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу рубидия:
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Сплав состоит из рубидия и ещё одного щелочного металла. При взаимодействии 4,6 г сплава с водой получено 2,241 л водорода (н.у.). Какой металл является вторым компонентом сплава? Каковы массовые доли (%) компонентов сплава? |
| Решение | К щелочным металлам относятся литий, натрий, калий, рубидий и цезий. Все щелочные металлы взаимодействуют с водой по следующей схеме:
2Me + 2H 2 O = 2MeOH + H 2 -. Найдем суммарное количество вещества выделившегося водорода: n(H 2) = V(H 2) / V m ; n(H 2) = 2,241 / 22,4 = 0,1 моль. Согласно уравнению реакции n(H 2) :n(Me) = 1:2, значит n(Me) = 2×n(H 2) = 2×0,1 = 0,2 моль. Средняя молярная масса вещества рассчитывается как: M = 4,6 / 0,2 = 23 г/моль, что соответствует относительной атомной массе натрия. Следовательно, вторым компонентом смеси должен быть щелочной металл с Ar< 23. Это литий. Сплав состоит из рубидия и лития. Известно, что n(Li) + n(Rb) = 0,2 моль; а m(Li) + m(Rb) = 4,6 г. Примем за «х» количество моль лития, тогда число моль рубидия будет равно (0,2-х). Решим уравнение: х×7 + (0,2-х)×85 = 4,6; 7х + 17 - 85х = 4,6; Значит количество вещества лития равно 0,16 моль, а рубидия - 0,04 моль. Тогда масса каждого из элементов равна 0,16×7=1,12 г - лития и 0,04×85=3,4 г. А массовые доли элементов в сплаве составляют: w(Li) = m(Li) / m alloy × 100% = 1,12 / 4,6 × 100% = 24%. w(Rb) = m(Rb) / m alloy × 100% = 3,4 / 4,6 × 100% = 76%. |
| Ответ | Массовая доля лития равна 24%, рубидия - 76%. |
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Рубидий расположен в пятом периоде I группе главной (А) подгруппе Периодической таблицы. Обозначение – Rb. Рубидий в виде простого вещества представляет собой металл серебристо-белого цвета с объемно-центрированной кристаллической решеткой.
Плотность - 1,5 г/см 3 . Температура плавления 39,5 o С, кипения - 750 o С. Мягкий, легко режется ножом. На воздухе самовоспламеняется.
Степень окисления рубидия в соединениях
Рубидий - элемент IA группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Он входит в группу щелочных металлов, которые в своих соединениях проявляют постоянную и положительную единственно возможную степень окисления равную (+1) , например Rb +1 Cl -1 , Rb +1 H -1 , Rb +1 2 O -2 , Rb +1 O -2 H +1 , Rb +1 N +5 O -2 3 и др.
Рубидий также существует в виде простого вещества - металла, а степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю , так как распределение электронной плотности в них равномерно.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | В каком ряду все элементы могут проявлять степени окисления (-1) и (+5):
|
| Решение | Для того, чтобы найти правильный ответ на поставленный вопрос будем поочередно проверять каждый из предложенных вариантов.
а) Все указанные химические элементы имеют только одну степень окисления, которая равна номеру группы Периодической таблицы Д.И. Менделеева, в которой они расположены, со знаком «+». Т.е. степень окисления рубидия и лития равна (+1), а кальция - (+2). Ответ неверный. б) Для фтора характерна только одно значение степени окисления, равное (-1), поэтому этот вариант ответа неверный и проверять оставшиеся химические элементы не имеет смысла. в) Все указанные элементы относятся к группе галогенов, и для них характерны степени окисления (-1), 0, (+1), (+3), (+5) и (+7), т.е. это правильный ответ. |
| Ответ | Вариант 3. |
В 1861 году недавно изобретенный физический метод исследования веществ - спектральный анализ - еще раз продемонстрировал свое могущество и надежность, как залог большого будущего в науке и технике. С его помощью был открыт уже второй неизвестный ранее химический элемент - рубидий. Затем, с открытием в 1869 году Д. И. Менделеевым периодического закона, рубидий вместе с другими элементами занял свое место в таблице, которая внесла порядок в химическую науку.
Дальнейшее изучение рубидия показало, что этот элемент обладает целым рядом интересных и ценных свойств. Мы рассмотрим здесь наиболее характерные и важные из них.
Общая характеристика химического элемента
Рубидий имеет атомный номер 37, то есть в атомах его в состав ядер входит именно такое количество положительно заряженных частиц - протонов. Соответственно нейтральный атом обладает 37 электронами.
Символ элемента - Rb. В рубидий классифицируется как элемент I группы, период - пятый (в короткопериодном варианте таблицы он относится к главной подгруппе I группы и расположен в шестом ряду). Является щелочным металлом, представляет собой мягкое, очень легкоплавкое кристаллическое вещество серебристо-белого цвета.
История обнаружения
Честь открытия химического элемента рубидий принадлежит двум немецким ученым - химику Роберту Бунзену и физику Густаву Кирхгофу, авторам спектроскопического метода изучения состава вещества. После того, как в 1860 году применение спектрального анализа привело к открытию цезия, ученые продолжили исследования, и уже в следующем году при изучении спектра минерала лепидолита ими были обнаружены две неотождествленные линии темно-красного цвета. Именно благодаря характерному оттенку наиболее сильных спектральных линий, по которым удалось установить существование неизвестного ранее элемента, он и получил свое название: слово rubidus переводится с латыни как «багровый, темно-красный».
В 1863 году Бунзен впервые выделил из воды минерального источника металлический рубидий путем упаривания большого количества раствора, разделения солей калия, цезия и рубидия и, наконец, восстановления металла с использованием сажи. Позднее Н. Бекетов сумел восстановить рубидий из его гидроксида с помощью порошка алюминия.
Физическая характеристика элемента
Рубидий - легкий металл, он имеет плотность 1,53 г/см 3 (при нулевой температуре). Образует кристаллы с кубической объемно-центрированной решеткой. Плавится рубидий всего при 39 °C, то есть при комнатной температуре его консистенция уже близка к пастообразной. Металл кипит при 687 °C, пары его имеют зеленовато-синий оттенок.
Рубидий - парамагнетик. По проводимости он более чем в 8 раз превосходит ртуть при 0 °C и почти во столько же раз уступает серебру. Подобно другим щелочным металлам, рубидий отличает очень низкий порог фотоэффекта. Для возбуждения фототока в нем достаточно уже длинноволновых (то есть низкочастотных и несущих меньшую энергию) красных световых лучей. В этом отношении по чувствительности его превосходит лишь цезий.
Изотопы
Рубидий имеет атомный вес 85,468. В природе встречается в виде двух изотопов, различающихся количеством нейтронов в ядре: рубидий-85 составляет наибольшую долю (72,2%), и в значительно меньшем количестве - 27,8% - рубидий-87. Ядра их атомов, помимо 37 протонов, содержат соответственно по 48 и по 50 нейтронов. Более легкий изотоп стабилен, а рубидий-87 имеет огромный по длительности период полураспада - 49 миллиардов лет.
В настоящее время искусственным путем получено несколько десятков радиоактивных изотопов этого химического элемента: от сверхлегкого рубидия-71 до перегруженного нейтронами рубидия-102. Периоды полураспада искусственных изотопов варьируют от нескольких месяцев до 30 наносекунд.
Основные химические свойства
Как было отмечено выше, в ряду химических элементов рубидий (как натрий, калий, литий, цезий и франций) относится к щелочным металлам. Особенность электронной конфигурации их атомов, определяющая химические свойства - это наличие только одного электрона на внешнем энергетическом уровне. Этот электрон легко покидает атом, а ион металла при этом приобретает энергетически выгодную электронную конфигурацию стоящего перед ним в таблице Менделеева инертного элемента. Для рубидия это - конфигурация криптона.
Таким образом, рубидий, как и прочие щелочные металлы, имеет ярко выраженные восстановительные свойства и степень окисления +1. Щелочные свойства сильнее проявляются с увеличением атомного веса, поскольку при этом растет и радиус атома, и, соответственно, ослабляется связь внешнего электрона с ядром, что обусловливает повышение химической активности. Поэтому рубидий активнее лития, натрия и калия, а цезий, в свою очередь, активнее рубидия.
Суммируя все вышесказанное о рубидии, разбор элемента можно произвести, как на иллюстрации, представленной ниже.
Соединения, образуемые рубидием
На воздухе этот металл ввиду своей исключительной реакционной активности окисляется бурно, с воспламенением (пламя имеет фиолетово-розоватый цвет); в ходе реакции образуются надпероксид и пероксид рубидия, проявляющие свойства сильных окислителей:
- Rb + O 2 → RbO 2 .
- 2Rb + O 2 → Rb 2 O 2 .
Оксид образуется в том случае, если доступ кислорода к реакции ограничен:
- 4Rb + O 2 → 2Rb 2 O.
Это вещество желтого цвета, реагирующее с водой, кислотами и кислотными оксидами. В первом случае образуется одна из наиболее сильных щелочей - гидроксид рубидия, в остальных - соли, например, сульфат рубидия Rb 2 SO 4 , большинство которых растворимы.
Еще более бурно, сопровождаясь взрывом (так как мгновенно воспламеняются и рубидий, и освобождаемый водород), протекает реакция металла с водой, в которой образуется гидроксид рубидия, чрезвычайно агрессивное соединение:
- 2Rb + 2H 2 O → 2RbOH +H 2 .
Рубидий - химический элемент, способный также непосредственно реагировать со многими неметаллами - с фосфором, водородом, углеродом, кремнием, с галогенами. Галогениды рубидия - RbF, RbCl, RbBr, RbI - хорошо растворимы в воде и в некоторых органических растворителях, например, в этаноле или в муравьиной кислоте. Взаимодействие металла с серой (растирание с серным порошком) происходит взрывообразно и приводит к образованию сульфида.
Существуют и малорастворимые соединения рубидия, такие как перхлорат RbClO 4 , они находят применение в аналитике для определения этого химического элемента.
Нахождение в природе
Рубидий - элемент, не относящийся к редким. Встречается он практически везде, входит в состав множества минералов и горных пород, а также содержится в океане, в подземных и речных водах. В земной коре содержание рубидия достигает суммарного значения содержания меди, цинка и никеля. Однако, в отличие от многих гораздо более редких металлов, рубидий - чрезвычайно рассеянный элемент, его концентрация в породе очень низка, и он не образует собственных минералов.
В составе полезных ископаемых рубидий повсеместно сопутствует калию. Наибольшей концентрацией рубидия отличаются лепидолиты - минералы, служащие также источником лития и цезия. Так что рубидий в небольших количествах всегда присутствует там, где обнаруживаются другие щелочные металлы.
Немного о применении рубидия
Краткую характеристику хим. элемента рубидия можно дополнить несколькими словами о том, в каких областях используется этот металл и его соединения.
Рубидий находит применение в производстве фотоэлементов, в лазерной технике, входит в состав некоторых специальных сплавов для ракетной техники. В химической промышленности соли рубидия используются благодаря высокой каталитической активности. Один из искусственных изотопов, рубидий-86, применяется в гамма-дефектоскопии и, кроме того, в фармацевтической промышленности для стерилизации лекарственных препаратов.
Еще один изотоп, рубидий-87, используют в геохронологии, где он служит для определения возраста древнейших горных пород благодаря очень большому периоду полураспада (рубидий-стронциевый метод).
Если несколько десятков лет назад считалось, что рубидий - химический элемент, область применения которого едва ли будет расширяться, то в настоящее время для этого металла появляются все новые перспективы, например, в катализе, в высокотемпературных турбоагрегатах, в специальной оптике и в других сферах. Так что в современных технологиях рубидий играет и будет продолжать играть важную роль.
