Rubidij

Šablon:Infokutija hemijski element Rubidij je hemijski element sa simbolom Rb i atomskim brojem 37. On je mehki, srebreno-sjajni metalni element iz grupe alkalnih metala sa atomskom masom 85,4678. Elementarni rubidij je veoma reaktivan, a njegove hemijske osobine slične su onima kod drugih alkalnih metala, kao što su vrlo brza oksidacija pri kontaktu sa zrakom. Prirodni rubidij je smjesa dva izotopa: ⁸⁵Rb, jedinog stabilnog koji sačinjava 72% rubidija. Ostalih 28% je neznatno radioaktivni ⁸⁷Rb koji ima vrijeme poluraspada od 49 milijardi godina, tri puta duže od procijenjene starosti svemira.

Njemački hemičari Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff otkrili su rubidij 1861. pomoći, tada novorazvijene, metode spektroskopije plamenom. Spojevi rubidija imaju raznolike hemijske i elektroničke načine primjene. Metalni rubidij vrlo lahko isparava i ima pogodan raspon apsorpcijskog spektra što ga čini vrlo čestom metom za lasersko manipuliranje atomima.

Za rubidij nije potpuno poznato da li je on neophodan za život živih organizama. Međutim, njegove ione živi organizmi mogu koristiti na način kako koriste ione kalija, tako što ih naprimjer biljne i životinjske ćelije uzimaju zbog identičnog naboja rubidija i kalija.

Historija

Gustav Kirchhoff (lijevo) i Robert Bunsen (sredina) su spektroskopski otkrili rubidij. (Henry Enfield Roscoe je na desnoj strani.)

Rubidij su 1861. otkrili Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff u njemačkom gradu Heidelbergu, u sastavu minerala lepidolita upotrebom spektroskopa. Zbog veoma jarkih crvenih linija u njegovom emisijskom spektru, odabrali su ime izvedeno iz latinske riječi rubidus u značenju "tamno crveno". Rubidij je prisutan kao sporedna komponenta u lepidolitu. Kirchhoff i Bunsen su morali preraditi oko 150 kg lepidolita koji se sadržavao samo 0,24% rubidij-oksida (Rb₂O). I kalij i rubidij grade nerastvorljive soli sa hloroplatinskom kiselinom, ali te soli iskazuju neznatnu razliku u rastvorljivosti u vreloj vodi. Zbog toga, nešto slabije rastvorljivi rubidij-heksahloroplatinat (Rb₂PtCl₆) se može dobiti frakcijskom kristalizacijom. Nakon redukcije heksahloroplatinata sa vodikom, ovim procesom dobili su 0,51 grama rubidij-hlorida za daljnje proučavanje. Prvo izdvajanje rubidijevih i cezijevih spojeva u većem obimu, kada su Bunsen i Kirchhoff iz 44.000 litara mineralne vode, dobili, pored 7,3 grama cezij-hlorida također i 9,2 grama rubidij-hlorida. Rubidij je bio drugi element, nedugo nakon cezija, koji je otkriven spektroskopski, te samo jednu godinu nakon što su Bunsen i Kirchhoff napravili prvi spektroskop.

Dva naučnika upotrijebili su rubidij-hlorid da bi izračunali približnu atomsku težinu novog elementa od 85,36 (danas prihvaćena vrijednost iznosi 85,47). Također, oni su pokušali dobiti i elementarni rubidij pomoću elektrolize istopljenog rubidij-hlorida, ali su umjesto metala dobili plavkastu homogenu supstancu koja "ni golim okom niti pod mikroskopom nije pokazivala metalne osobine ni u tragovima". Stoga su zaključili da se radilo o subhloridu (Šablon:Chem). Ipak, proizvod tog procesa vjerovatno je bila koloidna smjesa metala i rubidij-hlorida. U drugom pokušaju da dobiju metalni rubidij, Bunsen je uspio reducirati rubidij zagrijavanjem ugljenisanog rubidij-tartarta. Iako je destilirani rubidij bio piroforan, bilo je moguće odrediti gustoću i tačku topljenja ovog elementa. Kvalitet istraživanja obavljenih 1860tih se može ilustrirati činjenicom da se gustoća koju su oni tada izračunali razlikuje za 0,1 g/cm³ a tačka topljenja za manje od 1 °C od danas prihvaćenih vrijednosti.

Slaba radioaktivnost rubidija otkrivena je 1908. ali prije nego što je postavljena teorija izotopa 1910tih, pa je njegova niska aktivnost zbog veoma dugog vremena poluraspada od preko 10 milijardi godina bila vrlo teška za objasniti. Danas dokazani raspad rubidija ⁸⁷Rb na stabilni ⁸⁷Sr beta raspadom sve do kraja 1940tih bio je predmet naučne diskusije.

Rubidij je prije 1920tih imao vrlo ograničenu industrijsku vrijednost. Međutim, od tada razvijene su neke od vrlo važnih aplikacija rubidija u oblasti istraživanja i razvoja, kao i određene hemijske i elektroničke aplikacije. Godine 1995. izotop rubidij-87 iskorišten je za pravljenje Bose-Einsteinovog kondenzata, za koji su njegovi otkrivači Eric Allin Cornell, Carl Edwin Wieman i Wolfgang Ketterle dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2001. godine.

Osobine

Rubidij je veoma mehak, duktilan, srebrenasto-sjajni metal. Među neradioaktivnim alkalnim metalima, on je drugi najviše elektropozitivan metal, koji se topi na temperaturi od 39,31 °C. Slično kao i drugi alkalni metali, on vrlo burno reagira s vodom, sa živom gradi amalgame kao i legure sa zlatom, željezom, cezijem, natrijem i kalijem, ali ne i sa litijem (iako su rubidij i litij čak i u istoj grupi periodnog sistema).

Kao i kod kalija (koji je neznatno manje reaktivan) i cezija (koji je nešto više reaktivan), reakcija rubidija s vodom je obično dovoljno burna da može zapaliti gas vodik kojeg istiska iz vode.

Postoje izvještaji da se elementarni rubidij može spontano zapaliti u dodiru sa zrakom. On ima veoma nisku energiju ionizacije do samo 406 kJ/mol. Rubidij i kalij imaju dosta sličnu ružičastu boju pri testu plamena, zbog čega se za razlikovanje ova dva elementa trebaju koristiti spektroskopske metode.

Izotopi

Iako je rubidij, u strogo hemijskom aspektu, jednoizotopni element, prirodni rubidij se sastoji iz dva izotopa: stabilnog ⁸⁵Rb (udio 72,2%) i radioaktivnog ⁸⁷Rb (27,8%). Rubidij u prirodi je slabo radioaktivan sa specifičnom aktivnošću od 670 Bq/g, dovoljno da značajno izloži fotografski film za 110 dana. Pored izotopa ⁸⁵Rb i ⁸⁷Rb, postoji još 24 poznata druga sintetička izotopa, čija vremena poluraspada iznose kraće od tri mjeseca, a većina njih su jako radioaktivna te nemaju mnogo aplikacija.

Izotop rubidij-87 ima vrijeme poluraspada od 48,8 milijarde godine, što je više od tri puta duže od procijenjene starosti svemira (13,799±0,021 milijardi godina) pa se on ubraja u primordijalne nuklide. On se vrlo lahko zamjenjuje na mjesto kalija u mineralima pa je stoga prilično dosta rasprostranjen. Rb se dosta upotrebljava za datiranje stijena; ⁸⁷Rb se beta raspadom raspada na stabilni ⁸⁷Sr. Tokom frakcionalne kristalizacije, stroncij teži da se koncentrira u plagioklasu, ostavljajući Rb u tečnoj fazi. Zbog toga, odnos Rb/Sr u rezidualnoj magmi može tokom vremena porasti, tako da preostaju stijene sa povećanim odnosom Rb/Sr zbog diferencijacije koja se odvija. Najviši odnosi (10 ili više) javljaju se u pegmatitima.

Ako je počena količina Sr poznata ili se može ekstrapolirati, tada se starost može odrediti mjerenjem koncentracija Rb i Sr i odnosa izotopa ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr. Vremena označavaju stvarnu starost minerala samo ako se te stijene nisu kasnije mijenjale (npr. metamorfozom).

Rubidij-82, jedan od vještačkih izotopa elementa, nastaje raspadom putem elektronskog zahvata izotopa stroncija-82 sa vremenom poluraspada od 25,36 dana. Paralelni raspad rubidija-82 sa vremenom poluraspada od 76 sekundi do stabilnog kriptona-82 dešava se emisijom pozitrona.

Rasprostranjenost

Test rubidija plamenom

Rubidij je 23. element po rasprostranjenosti u Zemljinoj kori, ugrubo zastupljen kao i cink a nešto više ga ima od bakra. On se prirodno javlja u mineralima poput leucita, polucita, karnalita i zinwaldita, a koji može sadržavati i do 1% rubidijevih oksida. Lepidolit sadrži između 0,3% i 3,5% rubidija, te predstavlja komercijalni izvor ovog elementa. Neki kalijevi minerali i kalij-hloridi također mogu sadržavati rubidij u komercijalno značajnim količinama. Morska voda prosječno sadrži 125 µg/L rubidija što je daleko manje u odnosu na prosječnu količinu kalija od 408 mg/L ali je i znatno više od 0,3 µg/L koliko iznosi vrijednost za cezij. Zbog velikog ionskog promjera, rubidij se u petrologiji i geohemiji smatra kao jedan od “nekompatibilnih elemenata". Tokom (frakcijske) kristalizacije magme, rubidij se koncentrira u tečnoj fazi zajedno sa svojim težim analogom cezijem te se kristalizira posljednji. Iz tih razloga, najveći depoziti rubidija i cezija su rudne zone pegmatita nastale u ovom procesu obogaćivanja. Pošto rubidij supstituira kalij u procesu kristalizacije magme, obogaćenje je znatno manje efektivno nego u sličnom procesu kod cezija. Rudna zona pegmatita sadrži količine cezija koje su isplative za rudarenje u vidu polucita ili mineral litija lepidolita, koji su također i izvori rubidija kao nusproizvoda.

Dva nešto značajnija izvora rubidija su bogati depoziti polucita kod jezera Bernic u kanadskoj provinciji Manitobi te depoziti rubiklina ((Rb,K)AlSi₃O₈) nađeni kao nečistoće u polucitu na italijanskom ostrvu Elba, gdje udio rubidija iznosi 17,5%. Oba ova depozita također su i izvori cezija.

Dobijanje

Iako je rubidij dosta zastupljeniji u Zemljinoj kori od cezija, mali broj aplikacija rubidija i nedostatak minerala za većim udjelom rubidija (isplativog za industrijsku proizvodnju), predstavljaju ograničavajući faktor za dobijanje spojeva rubidija. Godišnje se proizvede od dvije do četiri tone rubidijevih spojeva.

Dostupno je nekoliko metoda za odvajanje kalija, rubidija i cezija. Frakcijska kristalizacija rubidijevog i cezijevog aluma (Cs,Rb)Al(SO₄)₂·12H₂O tek nakon 30 postupnih koraka u procesu daje čisti rubidijev alum. Druge dvije metode koje se spominju su proces hlorostanatom i ferocijanidom. Nekoliko godina tokom 1950tih i 1960tih, nusproizvod u proizvodnji kalija zvani "Alkarb" bio je glavni izvor rubidija. On je sadržavao 21% rubidija, dok je ostatak otpadao na kalij i mali udio cezija. Danas, najveći proizvođači cezija, poput rudnika Tanco, u Manitobi (Kanada) proizvode rubidij kao nusproizvod iz polucita.

Upotreba

Rubidijski atomski sat u Američkoj pomorskoj opservatoriji

Spojevi rubidija se ponekad koriste za pravljenje vatrometa dajući mu ružičastu boju. Također se razmatra korištenje rubidija u termoelektričnim generatorima na principu magnetohidrodinamike, gdje zagrijavanjem na visokim temperatura stvaraju ioni rubidija te se propuštaju kroz magnetno polje. Oni tako induciraju elektricitet te djeluju poput statora generatora proizvodeći električnu struju. Rubidij, tačnije izotop ⁸⁷Rb u gasovitom stanju, jedan je od najčešće upotrebljavanih atomskih vrsta za hlađenje lasera i Bose-Einsteinovu kondenzaciju. Njegove poželjne osobine za ovu aplikaciju uključuju lahku dostupnost jeftine svjetlosti diodnih lasera na potrebnoj talasnoj dužini te prihvatljive temperaturne raspone neophodne da se dobije stalan pritisak pare.

Rubidij se koristio za polariziranje helija ³He, proizvodeći veliku količinu magnetiziranog ³He gasa sa spinovima jezgre usmjerenim u određenim smjerovima u prostoru umjesto uobičejenih nasumičnih. Para rubidija se optički upumpava u laser a polarizirani Rb polarizira ³He putem hiperfine međureakcije.

Takve "ćelije" ³He polariziranog spina su postale vrlo popularne za mjerenje polarizacije neutrona te za proizvodnju polariziranih snopova neutrona namijenjene za druge svrhe. Rezonantni element u atomskim satovima koristi hiperfinu strukturu energijskih nivoa rubidija, što ovaj metal čini korisnim za visokoprecizno mjerenje vremena te se koristi kao osnovna komponenta sekundarnih izvora frekvencije (rubidijski oscilatori) održavanje tačnosti frekvencija u ćelijskim predajnicima i drugoj elektroničkoj, telekomunikacijskoj, mrežnoj i testnoj opremi. Ti rubidijski standardi se često koriste sa GPS-om za izgradnju "primarnog standarda frekvencija" koji je precizniji i jeftiniji od cezijskih standarda. Takvi rubidijski standardi se često masovno proizvode za potrebe telekomunikacijske industrije.

Drugi potencijalni ili trenutni načini upotrebe rubidija uključuju radni fluid u parnim turbinama, kao geter u vakuumskim cijevima te kao fotoćelijska komponenta. On se također koristi i kao sastojak u posebnim vrstama stakla, u proizvodnji superoksida njegovim sagorijevanjem u prisustvu kisika, za proučavanje ionskih kanala kalija u biologiji te u vidu pare za pravljenje atomskih magnetometara. Specifično, izotop ⁸⁷Rb se danas, zajedno sa drugim alkalnim metalima, koristi za istraživanje SERF magnetometara sa izmjenom spina bez "relaksacije".

Izotop rubidija-82 se koristi u tomografiji emisijom pozitrona. On je veoma sličan kalij pa se u tkivu u kojem se taloži kalij u većim koncentracijama, također akumulira i radioaktivni rubidij. Jedan od osnovnih načina primjene je u perfuzijskom slikanju miokardija. Zbog vrlo kratkog vremena poluraspada od 76 sekundi, potrebno je proizvoditi izotop rubidij-82 iz raspada stroncija-82 u neposrednoj blizini pacijenta. Kao rezultat promjena u krvno-moždanoj barijeri kod tumora mozga, rubidij se više skuplja u ćelijama tumora nego u običnim ćelijama mozda, što omogućava korištenje radioizotopa rubidija-82 u nuklearnoj medicini za lociranje i slikanje tumora mozga.

Rubidij je testiran za utjecaj na maničnu i običnu depresiju. Kod dijaliznih pacijenata koji su patili od depresije pokazalo se nedostatak rubidija pa je njegov dodatni unos pomogao pri depresivnim stanjima. U nekim testovima rubidij se davao u obliku rubidij-hlorida u dozama do 720 mg dnevno tokom 60 dana.

Spojevi

Klaster Šablon:Chem

Rubidij-hlorid (RbCl) je vjerovatno najpoznatiji i najviše korišteni spoj rubidija. On se koristi u biohemiji da bi se ćelije pobudile da uvuku DNK u sebe (mada to nije jedinstvena osobina, nekoliko drugih hlorida se također koristi za istu svrhu) te kao biomarker jer se vrlo lahko upija zamjenjujući kalij, i u živim organizmima se javlja samo u malim količinama. Drugi njegovi uobičajeni spojevi su korozivni rubidij-hidroksid (RbOH), koji je polazna sirovina za većinu hemijskih procesa zasnovanih na ovom elementu; rubidij-karbonat (Rb₂CO₃) koji se koristi u nekim optičkim staklima i rubidij-bakar sulfat Rb₂SO₄·CuSO₄·6H₂O. Rubidij-srebro jodid (RbAg₄I₅) ima višu električnu provodljivost pri sobnoj temperaturi od bilo kojeg poznatog ionskog kristala, što je osobina koja se iskorištava u tankim baterijama i drugim aplikacijama.

Rubidij gradi veći broj oksida kao što su rubidij-monoksid (Rb₂O), Rb₆O i Rb₉O₂, koji se formiraju ako je metalni rubidij izložen zraku. U okruženju kada je udio kisika veći, on gradi superoksid RbO₂. Rubidij također gradi i soli sa halidima, dajući rubidij-fluorid, rubidij-hlorid, rubidij-bromid i rubidij-jodid.

Vanjski linkovi

• Rubidium, na stranici "Periodic Videos" (Univerzitet u Nottinghamu)