RUBIDIU: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, OBȚINERE, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Rubidiu este un element metal aparținând grupei 1 din tabelul periodic: metal alcalin, fiind reprezentat prin simbolul chimic Rb. Numele său sună similar cu rubinul și se datorează faptului că, atunci când a fost descoperit, spectrul de emisii a prezentat linii caracteristice de culoare roșie profundă.

Este unul dintre cele mai reactive metale care există. Este primul dintre metalele alcaline care, deși nu este foarte dens, se scufundă în apă. De asemenea, reacționează cu acesta mai exploziv în comparație cu litiu, sodiu și potasiu. Au fost experimente în care blisterele izbucnesc acolo unde este depozitat (imaginea de jos) pentru a cădea și a exploda în căzi.

Ampon cu un gram de rubidiu păstrat într-o atmosferă inertă. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Rubidiul se distinge prin faptul că este un metal mai scump decât aurul în sine; nu atât din cauza lipsei sale, cât și din cauza distribuției sale mineralogice largi în scoarța terestră și a dificultăților care apar la izolarea acesteia de compuși de potasiu și cesiu.

Prezintă o tendință clară de asociere cu potasiu în mineralele sale, fiind găsită ca impurități. Nu numai în materie geochimică formează un duo cu potasiu, ci și în domeniul biochimiei.

Organismul „greșește” ionii K ⁺ pentru cei din Rb ⁺ ; cu toate acestea, rubidiul nu este un element esențial până în prezent, deoarece rolul său în metabolism nu este cunoscut. Chiar și așa, suplimentele de rubidiu au fost utilizate pentru a atenua anumite afecțiuni medicale, cum ar fi depresia și epilepsia. Pe de altă parte, ambii ioni emit o flacără violetă în căldura brichetei.

Datorită costului ridicat, aplicațiile sale nu se bazează prea mult pe sinteza catalizatorilor sau a materialelor, ci ca o componentă pentru diverse dispozitive cu baze fizice teoretice. Unul dintre ele este ceasul atomic, celulele solare și magnetometrele. Acesta este motivul pentru care rubidiul este uneori considerat ca un metal subestimat sau sub-studiat.

Istorie

Rubidiul a fost descoperit în 1861 de chimiștii germani Robert Bunsen și Gustav Kirchhoff, folosind spectroscopie. Pentru a face acest lucru, au folosit arzătorul Bunsen și spectroscopul, inventat cu doi ani mai devreme, precum și tehnici analitice de precipitare. Obiectul lor de studiu a fost lepidolitul mineral, al cărui eșantion a fost colectat din Saxonia, Germania.

Au început cu 150 kg de minerale lepidolite, pe care le tratate cu acid cloroplatinic, H ₂ PTCL ₆ , la hexacloroplatinat de potasiu precipitat, K ₂ PTCL ₆ . Cu toate acestea, când au studiat spectrul său arzându-l în arzătorul Bunsen, au realizat că acesta prezintă linii de emisie care nu coincideau cu niciun alt element la acea vreme.

Spectrul de emisie al acestui nou element este caracterizat prin faptul că are două linii bine definite în regiunea roșie. De aceea, l-au botezat cu numele „rubidus” care înseamnă „roșu închis”. Mai târziu, Bunsen și Kirchhoff au reușit separarea Rb ₂ PTCL ₆ din K ₂ PTCL ₆ prin cristalizare fracționată; pentru a o reduce în final la sarea clorurii folosind hidrogen.

Identificarea și izolarea unei săruri a noului element rubidiu, chimiștii germani au avut nevoie doar de reducerea acesteia la starea sa metalică. Pentru a realiza acest lucru, au încercat în două moduri: aplicarea electrolizei clorurii de rubidiu sau încălzirea unei sări mai ușor de redus, cum ar fi tartratul acesteia. Astfel, s-a născut rubidiul metalic.

Proprietati fizice si chimice

Aspect

Metal moale, argintiu-gri. Este atât de neted încât arată ca untul. De obicei, este ambalat în fiole de sticlă, în interiorul cărora predomină o atmosferă inertă care îl protejează de reacția cu aerul.

Număr atomic (Z)

37

Masă molară

85,4678 g / mol

Punct de topire

39 ºC

Punct de fierbere

688 ºC

Densitate

La temperatura camerei: 1.532 g / cm ³

La punctul de topire: 1,46 g / cm ³

Densitatea de rubidiu este mai mare decât cea a apei, deci se va scufunda în timp ce reacționează violent cu acesta.

Căldură de fuziune

2,19 kJ / mol

Căldură de vaporizare

69 kJ / mol

electronegativitate

0,82 pe scara Pauling

Afinitate electronică

46,9 kJ / mol

Energii de ionizare

-Primul: 403 kJ / mol (Rb ⁺ gazos)

-Secunda: 2632,1 kJ / mol (Rb ²⁺ gazos)

-Trat: 3859,4 kJ / mol (Rb ³⁺ gazos)

Radio atomic

248 pm (empiric)

Conductivitate termică

58,2 W / (m K)

Rezistență electrică

128 nΩ m la 20 ° C

Duritate Mohs

0.3. Prin urmare, chiar talcul este mai greu decât rubidiul metalic.

reactivitatea

Test de flacără pentru rubidiu. Când reacționează, degajă o flacără violetă. Sursa: Didaktische.Medien

Rubidiul este unul dintre cele mai reactive metale alcaline, după cesiu și franciu. Imediat ce este expus la aer, începe să ardă, iar dacă este lovit, trage scântei ușoare. Dacă este încălzit, emite și o flacără violetă (imaginea de sus), care este un test pozitiv pentru ionii Rb ⁺ .

Acesta reacționează cu oxigenul pentru a forma un amestec de peroxizi (Rb ₂ O ₂ ) și superoxid (RBO ₂ ). Deși nu reacționează cu acizii și bazele, reacționează violent cu apa, generând hidroxid de rubidiu și gaz hidrogen:

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

Reacționează cu hidrogenul pentru a forma hidrura corespunzătoare:

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

Și, de asemenea, cu halogeni și sulf exploziv:

2RB (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

Deși rubidiul nu este considerat un element toxic, este potențial periculos și prezintă pericol de incendiu atunci când vine în contact cu apa și oxigenul.

Structura și configurația electronică

Atomii de Rubidiu sunt aranjați astfel încât să stabilească un cristal cu o structură cubică centrată pe corp (cc). Această structură este caracteristică pentru metalele alcaline, care sunt ușoare și tind să plutească pe apă; cu excepția rubidiului în jos (cesiu și franciu).

În cristalele de rubidiu bcc, atomii lor Rb interacționează între ei datorită legăturii metalice. Aceasta este guvernată de o "mare de electroni" din carcasa sa de valență, de la orbitalul 5s conform configurației sale electronice:

5s ¹

Toți cei 5 orbitali cu un singur electron se suprapun în toate dimensiunile cristalelor metalice de rubidiu. Totuși, aceste interacțiuni sunt slabe, întrucât pe măsură ce se deplasează în jos grupul metalelor alcaline, orbitalele devin mai difuze și, prin urmare, legătura metalică slăbește.

De aceea, punctul de topire al rubidiului este de 39ºC. De asemenea, legătura sa metalică slabă explică moliciunea solidului său; atât de moale pare a fi untul de argint.

Nu există suficiente informații bibliografice cu privire la comportamentul cristalelor sale sub presiune ridicată; dacă există faze mai dense cu proprietăți unice, cum ar fi sodiu.

Numere de oxidare

Configurația sa electronică indică dintr-o dată că rubidiul tinde puternic să-și piardă un singur electron pentru a deveni izoelectronic pentru criptonul de gaz nobil. Când o face, ^{se formează} cationul monovalent Rb ⁺ . Se spune apoi că în compușii săi are numărul de oxidare +1 atunci când se presupune existența acestui cation.

Datorită tendinței de oxidare a rubidiului, presupunerea că ionii Rb ⁺ există în compușii săi este corectă, ceea ce la rândul său indică caracterul ionic al acestor compuși.

În aproape toți compușii de rubidiu prezintă un număr de oxidare de +1. Exemple dintre acestea sunt următoarele:

-Clorură de romiu, RbCl (Rb ⁺ Cl ^- )

-Hidroxid de rhidiu, RbOH (Rb ⁺ OH ^- )

-Carbonat de ridiu, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2- )

-Monoxid de rhidiu, Rb ₂ O (Rb ₂ ⁺ O ^2- )

Superoxid -Rubidium, RBO ₂ (Rb ⁺ O ₂ ^- )

Deși foarte rar, rubidiul ar putea avea și un număr de oxidare negativ: -1 (Rb ^- ). În acest caz, s-ar vorbi de „rubididă” dacă ar forma un compus cu un element mai puțin electronegativ decât acesta sau dacă a fost supus în condiții speciale și riguroase.

clusterele

Există compuși în care fiecare atom de Rb prezintă numere de oxidare cu valori fracționate. De exemplu, în Rb ₆ O (Rb ₆ ²⁺ O ^2- ) și Rb ₉ O ₂ (Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ² ) sarcina pozitivă este distribuită între un set de atomi Rb (clustere). Astfel, în Rb ₆ O numărul de oxidare în teorie ar fi +1/3; în timp ce în Rb ₉ O ₂ , + 0,444 (4/9).

Structura cluster a Rb9O2. Sursa: Axiosaurus

Deasupra este reprezentată structura clusterului Rb ₉ O ₂ reprezentată de un model de sfere și bare. Rețineți cum cei nouă atomi Rb „înglobează” anionii O ^2- .

Prin elucubrare, parcă o parte din cristalele metalice originale de rubidiu au rămas neschimbate în timp ce erau separate de cristalul mamă. Ei pierd electroni în proces; cele necesare pentru a atrage O- ² , iar încărcarea pozitivă rezultantă este distribuită între toți atomii acelui cluster (set sau agregate de atomi Rb).

Astfel, în aceste grupuri de rubidiu nu poate fi asumat formal existența lui Rb ⁺ . Rb ₆ O și Rb ₉ O _{2 sunt} clasificate ca suboxidului rubidiu, în care această anomalie aparentă de a avea un exces de atomi de metal în raport cu anionii de oxid este îndeplinit.

Unde să găsești și să obții

scoarța terestră

Proba de mineral de lepidolite. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Rubidiul este al 23-lea cel mai abundent element din scoarța terestră, cu o abundență comparabilă cu cea a metalelor zinc, plumb, cesiu și cupru. Detaliul este că ionii săi sunt foarte difuzați, deci nu predomină niciun mineral ca element metalic principal, iar minereurile sale sunt, de asemenea, rare.

Din acest motiv, rubidiul este un metal foarte scump, chiar mai mult decât aurul în sine, deoarece procesul său de obținere din minereurile sale este complex datorită dificultății de exploatare a acestuia.

În natură, având în vedere reactivitatea sa, rubidiul nu se găsește în starea sa natală, ci ca oxid (Rb ₂ O), clorură (RbCl) sau însoțit de alți anioni. Ionii săi „liberi” Rb ⁺ se găsesc în mări cu o concentrație de 125 µg / L, precum și în izvoarele calde și râuri.

Printre mineralele scoarței terestre care o conțin într-o concentrație mai mică de 1% avem:

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-Carnalite, 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

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

-Rubiclin, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

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

Asociația Geochimică

Toate aceste minerale au în comun unul sau două lucruri în comun: sunt silicați de potasiu, cesiu sau litiu sau sunt săruri minerale ale acestor metale.

Aceasta înseamnă că rubidiul are o puternică tendință de asociere cu potasiu și cesiu; Poate chiar substitui potasiul în timpul cristalizării mineralelor sau rocilor, așa cum se întâmplă în depozitele de pegmatite atunci când magma cristalizează. Astfel, rubidiul este un produs secundar al exploatării și rafinării acestor roci și mineralele lor.

Rubidiul poate fi găsit și în roci comune, cum ar fi granit, argile și bazalt și chiar în depozite carbonifere. Dintre toate sursele naturale, lepidolitul reprezintă minereul său principal și din care este exploatat comercial.

În carnalit, pe de altă parte, rubidiul poate fi găsit sub formă de impurități RbCl cu un conținut de 0,035%. Și în concentrații mai mari există depozite de polucită și rubicină, care pot avea până la 17% rubidiu.

Asocierea sa geochimică cu potasiu se datorează similarității razelor lor ionice; Rb ⁺ este mai mare decât K ⁺ , dar diferența de dimensiuni nu este un impediment pentru ca primul să poată înlocui cel de-al doilea în cristalele sale minerale.

Cristalizare fracțională

Fie că începem cu lepidolit sau polucit, sau cu oricare dintre mineralele menționate mai sus, provocarea rămâne aceeași într-un grad mai mare sau mai mic: separa rubidiul de potasiu și cesiu; adică aplicați tehnici de separare a amestecurilor care permit să existe compuși sau săruri de rubidiu pe de o parte, și săruri de potasiu și cesiu, pe de altă parte.

Acest lucru este dificil, deoarece acești ioni (K ⁺ , Rb ⁺ și Cs ⁺ ) au o asemănare chimică mare; Reacționează în același mod pentru a forma aceleași săruri, care diferă cu greu între ele datorită densităților și solubilităților lor. De aceea se folosește cristalizarea fracționată, astfel încât acestea să poată cristaliza lent și într-un mod controlat.

De exemplu, această tehnică este utilizată pentru a separa un amestec de carbonați și alumine de aceste metale. Procesele de recristalizare trebuie repetate de mai multe ori pentru a garanta cristale cu o puritate mai mare și fără ioni co-precipitați; o sare de rubidiu care cristalizează cu ioni K ⁺ sau Cs ⁺ pe suprafața sa sau în interior.

Tehnici mai moderne, cum ar fi utilizarea unei rășini schimbătoare de ioni sau eteruri de coroană ca agenți de complexare, permit de asemenea izolarea ionilor Rb ⁺ .

Electroliză sau reducere

După ce sarea de rubidiu a fost separată și purificată, următorul și ultimul pas este reducerea cationilor Rb ⁺ la metalul solid. Pentru a face acest lucru, sarea este topită și supusă electrolizei, astfel încât rubidiul să precipite pe catod; sau se utilizează un agent de reducere puternic, cum ar fi calciul și sodiul, capabili să piardă rapid electroni și astfel să reducă rubidiul.

izotopi

Rubidiul se găsește pe Pământ ca doi izotopi naturali: ⁸⁵ Rb și ⁸⁷ Rb. Primul are o abundență de 72,17%, în timp ce al doilea de 27,83%.

Cei ⁸⁷ Rb sunt responsabili pentru ca acest metal să fie radioactiv; cu toate acestea, radiația sa este inofensivă și chiar benefică pentru analiza întâlnirilor. Timpul său de înjumătățire (t _1/2 ) este de 4,9 · 10 ¹⁰ ani, a cărui durată depășește vârsta Universului. Când se descompune, devine izotopul stabil ⁸⁷ dl.

Mulțumită acestui fapt, acest izotop a fost utilizat până în prezent cu mineralele și rocile terestre prezente încă de la începutul Pământului.

În plus față de izotopii de ⁸⁵ Rb și ⁸⁷ Rb, există și altele sintetice și radioactive, cu durate de viață variabile și mult mai scurte; de exemplu, ⁸² Rb (t _1/2 = 76 secunde), ⁸³ Rb (t _1/2 = 86,2 zile), ⁸⁴ Rb (t _1/2 = 32,9 zile) și ⁸⁶ Rb (t _{1 / 2} = 18,7 zile). Dintre toate, ⁸² Rb este cel mai utilizat în studiile medicale.

riscuri

Metal

Rubidiul este un metal atât de reactiv încât trebuie păstrat în fiole de sticlă într-o atmosferă inertă, astfel încât să nu reacționeze cu oxigenul din aer. Dacă blisterul se rupe, metalul poate fi plasat în kerosen sau ulei mineral pentru a-l proteja; cu toate acestea, acesta va ajunge să fie oxidat de oxigenul dizolvat în ele, dând naștere la peroxizi de rubidiu.

Dacă, pe de altă parte, se decide așezarea lui pe lemn, de exemplu, se va termina prin arderea unei flăcări violete. Dacă există multă umiditate, aceasta va arde doar prin expunerea la aer. Când o bucată mare de rubidiu este aruncată într-un volum de apă, aceasta explodează puternic, chiar aprindând gazul de hidrogen produs.

Prin urmare, rubidiul este un metal pe care nu toată lumea ar trebui să-l gestioneze, deoarece practic toate reacțiile sale sunt explozive.

Ion

Spre deosebire de rubidiul metalic, ionii săi Rb ⁺ nu prezintă niciun risc aparent pentru viețuitoare. Acestea dizolvate în apă interacționează cu celulele în același mod ca ^și ionii K ⁺ .

Prin urmare, rubidiul și potasiul au comportamente biochimice similare; cu toate acestea, rubidiul nu este un element esențial, în timp ce potasiul este. În acest fel, cantități apreciabile de Rb ^{+ se} pot acumula în interiorul celulelor, celulelor roșii din sânge și viscere fără a afecta negativ organismul niciunui animal.

De fapt, s-a estimat că un bărbat adult cu o masă de 80 kg conține aproximativ 37 mg de rubidiu; și că, în plus, o creștere a acestei concentrații de 50 până la 100 de ori nu duce la simptome nedorite.

Cu toate acestea, un exces de ioni Rb ⁺ poate ajunge la deplasarea ionilor K ⁺ ; și, în consecință, individul va suferi spasme musculare foarte puternice până la moarte.

În mod natural, sărurile de rubidiu sau compușii solubili pot declanșa imediat acest lucru, astfel încât niciuna dintre ele nu trebuie să fie ingerată. În plus, poate provoca arsuri printr-un contact simplu, iar printre cele mai toxice sunt fluorura de rubidiu (RbF), hidroxidul (RbOH) și cianura (RbCN) de rubidiu.

Aplicații

Colector de gaze

Rubidiul a fost utilizat pentru a capta sau elimina urme de gaze care pot fi în tuburi sigilate cu vid. Tocmai datorită tendinței lor înalte de a capta oxigen și umiditate în ele, acestea le elimină pe suprafața lor sub formă de peroxizi.

Pirotehnie

Când sărurile de rubidiu ard, ele emană o flacără caracteristică roșiatică-violetă. Unele artificii au aceste săruri în compoziția lor, astfel încât acestea să explodeze cu aceste culori.

Supliment

Clorura de rubidiu a fost prescrisă pentru a combate depresia, deoarece studiile au determinat un deficit al acestui element la persoanele care suferă de această afecțiune medicală. De asemenea, a fost folosit ca sedativ și pentru tratarea epilepsiei.

Condensatul de Bose-Einstein

Atomii izotopului de ⁸⁷ Rb au fost folosiți pentru a crea primul condensat de Bose-Einstein. Această stare a materiei constă în aceea că atomii la o temperatură destul de apropiată de zero absolut (0 K), sunt grupate sau „condensate”, comportându-se ca și cum ar fi unul.

Astfel, rubidiul a fost protagonistul acestui triumf în domeniul fizicii și Eric Cornell, Carl Wieman și Wolfgang Ketterle au primit premiul Nobel în 2001 datorită acestei lucrări.

Diagnosticul tumoral

Radioizotopul sintetic ⁸² Rb se descompune, emitând pozitroni, care sunt utilizați pentru a acumula în țesuturile bogate în potasiu; cum ar fi cele localizate în creier sau inimă. Prin urmare, este utilizat pentru a analiza funcționalitatea inimii și prezența posibilelor tumori în creier cu ajutorul unei tomografii cu emisie de pozitron.

component

Ionii de Rubidiu și-au găsit un loc în diferite tipuri de materiale sau amestecuri. De exemplu, aliajele sale au fost realizate cu aur, cesiu, mercur, sodiu și potasiu. Acesta a fost adăugat la ochelari și ceramică probabil pentru a le crește punctul de topire.

În celulele solare s-au adăugat perovskite ca o componentă importantă. De asemenea, sa studiat posibila utilizare ca generator termoelectric, material de transfer de căldură în spațiu, combustibil în motoarele cu propulsie ionică, mediu electrolitic pentru baterii alcaline și în magnetometre atomice.

Ceasuri atomice

Cu rubidiu și cesiu, au fost făcute celebrele ceasuri atomice extrem de precise, folosite de exemplu în sateliții GPS cu care proprietarii smartphone-urilor lor își pot cunoaște locația în timp ce se deplasează pe un drum.

Referințe

1. Bond Tom. (29 octombrie 2008). Rubidiu. Recuperat de la: chemistryworld.com
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
3. Wikipedia. (2019). Rubidiu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
4. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Rubidiu. Baza de date PubChem. CID = 5357696. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
5. Chellan, P., & Sadler, PJ (2015). Elemente de viață și medicamente. Tranzacții filosofice. Seria A, Științe matematice, fizice și inginerești, 373 (2037), 20140182. doi: 10.1098 / rsta.2014.0182
6. Fundația Mayo pentru Educație și Cercetare Medicală. (2019). Rubidium Rb 82 (Calea intravenoasă). Recuperat de la: mayoclinic.org
7. Marques Miguel. (Sf). Rubidiu. Recuperat din: nautilus.fis.uc.pt
8. James L. Dye. (12 aprilie 2019). Rubidiu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Faptele elementului Rubidium. Chemicool. Recuperat de la: chemicool.com
10. Michael Pilgaard. (10 mai 2017). Reacții chimice la rubidiu. Recuperat de la: pilgaardelements.com