Рубидий — химический элемент¶

Рубидий — химический элемент первой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы) пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 37. Обозначается символом Rb (лат. Rubidium). Простое вещество рубидий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, обладающий высокой химической активностью. Относится к рассеянным элементам, не образует собственных минералов и встречается как изоморфная примесь в минералах калия.

¶История открытия

Рубидий был открыт в 1861 году немецкими учёными Робертом Бунзеном и Густавом Кирхгофом в Гейдельберге. Используя разработанный ими метод спектрального анализа, исследователи изучали минерал лепидолит (сложный силикат лития и алюминия) и обнаружили в его спектре две нехарактерные тёмно-красные линии в дальней красной области. По этим линиям элемент и получил своё название: от лат. rubidus — «тёмно-красный», «багряный».

Выделить металл в чистом виде Бунзену удалось лишь в 1863 году путём электролиза расплавленного карбоната рубидия. Практически сразу было установлено химическое сходство рубидия с калием и цезием, что подтвердило закономерности периодической системы, сформулированной Менделеевым незадолго до этого.

¶Нахождение в природе и получение

Рубидий — довольно распространённый элемент: его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 1,5×10⁻² % по массе. Это примерно столько же, сколько у цинка и меди, и значительно больше, чем у лития или цезия. Однако рубидий крайне рассеян: он не образует собственных минералов и входит в виде примеси (изоморфно замещая калий) в состав полевых шпатов, слюд, глин и других калиевых минералов. Основные промышленные источники — лепидолит, карналлит и минерализованные воды некоторых соляных озёр, где содержание рубидия может достигать десятков миллиграммов на литр.

Из-за низкой концентрации извлечение рубидия — сложный и многостадийный процесс. Его выделяют из растворов после переработки сырья методами ионообменной хроматографии, экстракции или осаждения в виде труднорастворимых солей (например, хлороплатината или алюмосиликата). Металлический рубидий получают восстановлением его хлорида кальцием или металлотермией при нагревании в вакууме, после чего очищают многократной перегонкой. Мировое производство рубидия невелико и исчисляется несколькими тоннами в год.

¶Физические и химические свойства

Рубидий — мягкий металл (твёрдость 0,3 по шкале Мооса), легко режется ножом. Обладает серебристо-белым блеском, который на воздухе быстро тускнеет из-за окисления. Кристаллическая решётка — кубическая объёмноцентрированная. Ключевые физические константы:

• атомная масса — 85,4678 а. е. м.;
• плотность — 1,532 г/см³ (при 20 °C);
• температура плавления — 39,3 °C;
• температура кипения — 688 °C;
• удельная теплоёмкость — 0,363 Дж/(г·К).

Природный рубидий состоит из двух изотопов: стабильного ⁸⁵Rb (72,17 %) и радиоактивного ⁸⁷Rb (27,83 %), который претерпевает бета-распад с периодом полураспада около 49 миллиардов лет, превращаясь в стронций-87. Это свойство используется в рубидий-стронциевом методе определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

По химической активности рубидий уступает лишь цезию и францию. Он энергично реагирует с кислородом (воспламеняется на воздухе), галогенами, серой и фосфором. С водой взаимодействует со взрывом с выделением водорода и образованием гидроксида RbOH — одного из самых сильных оснований. Со щелочами и кислотами реагирует бурно, со многими органическими соединениями — также активно. Хранят рубидий в запаянных ампулах под слоем инертного масла или в атмосфере аргона.

¶Применение

Несмотря на интересные свойства, рубидий не относится к стратегически важным металлам, и его промышленное использование ограничено из-за высокой стоимости и сложности получения. Тем не менее он находит применение в ряде высокотехнологичных областей:

• Атомная техника: изотоп ⁸⁷Rb используется как рабочее вещество в рубидиевых атомных часах — стандартах частоты, применяемых в системах спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС) и телекоммуникации.
• Электроника: соединения рубидия (например, RbAg₄I₅) применяются в твёрдотельных ионных проводниках для тонкоплёночных аккумуляторов.
• Оптика: рубидий используется в фотоэлементах и фотоумножителях благодаря низкой работе выхода электрона; также из него изготавливают специальные оптические стёкла.
• Медицина: радиоактивные изотопы рубидия (⁸²Rb, ⁸⁶Rb) применяются в позитронно-эмиссионной томографии для диагностики заболеваний сердца и оценки кровотока.
• Научные исследования: рубидий — ключевой элемент в экспериментах по лазерному охлаждению атомов и созданию конденсата Бозе — Эйнштейна; его пары используются для генерации и преобразования лазерного излучения.
• Химическая промышленность: соли рубидия иногда применяют как катализаторы в органическом синтезе и при производстве специальных видов стекла и керамики.

¶Биологическая роль и безопасность

Рубидий не является эссенциальным (незаменимым) элементом для живых организмов. Благодаря химическому сходству с калием он может накапливаться в тканях растений и животных, замещая калий, но выраженной биологической функции не выполняет. В малых дозах рубидий малотоксичен; соединения его, как и других щелочных металлов, при попадании внутрь могут вызывать ожоги слизистых и нарушение электролитного баланса. Металлический рубидий опасен из-за способности воспламеняться и взрываться при контакте с влагой. Предельно допустимая концентрация аэрозолей соединений рубидия в воздухе рабочей зоны в России составляет 2 мг/м³.

¶Интересные факты

• Рубидий стал вторым элементом (после цезия), открытым спектральным методом, что положило начало новой эпохе в аналитической химии.
• При комнатной температуре рубидий находится в полутвёрдом состоянии — его можно размягчить теплом ладони (температура плавления всего 39 °C).
• В 1995 году именно в конденсате Бозе — Эйнштейна из атомов рубидия-87 впервые в мире была экспериментально получена квантовая жидкость нового типа, за что Эрик Корнелл, Карл Виман и Вольфганг Кеттерле получили Нобелевскую премию по физике в 2001 году.