Rubidium

Rubidium (von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘; wegen zweier charakteristischer roter Spektrallinien) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Rb und der Ordnungszahl 37. Im Periodensystem steht es in der 1. Hauptgruppe, bzw. der 1. IUPAC-Gruppe und zählt zu den Alkalimetallen. Das weiche, silbrigweiß glänzende Metall entzündet sich spontan bei Luftzutritt.

Eigenschaften
[Kr] 5s1 37Rb Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Rubidium, Rb, 37
Elementkategorie	Alkalimetalle
Gruppe, Periode, Block	1, 5, s
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-17-7
EG-Nummer	231-126-6
ECHA-InfoCard	100.028.296
Massenanteil an der Erdhülle	29 ppm (31. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	85,4678(3)[3] u
Atomradius (berechnet)	235 (265) pm
Kovalenter Radius	220 pm
Van-der-Waals-Radius	303[4] pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 5s1
1. Ionisierungsenergie	4.1771280(12) eV[5] ≈ 403.03 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie	27.28954(6) eV[5] ≈ 2633.04 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie	39.247(3) eV[5] ≈ 3786.8 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie	52.20(25) eV[5] ≈ 5037 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie	68.44(15) eV[5] ≈ 6603 kJ/mol[6]
Physikalisch[7]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	1,532 g/cm3 (20 °C)[8]
Mohshärte	0,3
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 3,8 · 10−6)[9]
Schmelzpunkt	312,46[10] K (39,31 °C)
Siedepunkt	960 K[10] (687 °C)
Molares Volumen	55,76 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	69 kJ/mol[11]
Schmelzenthalpie	2,19 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	1300 m·s−1 bei 293,15 K
Austrittsarbeit	2,16 eV[12]
Elektrische Leitfähigkeit	7,52 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	58 W·m−1·K−1
Chemisch[13]
Oxidationszustände	−1, +1
Normalpotential	−2,924 V (Rb+ + e− → Rb)
Elektronegativität	0,82 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 83Rb {syn.} 86,2 d ε 0,910 83Kr 84Rb {syn.} 32,77 d ε 2,681 84Kr β− 0,894 84Sr 85Rb 72,168 % Stabil 86Rb {syn.} 18,631 d β− 1,775 86Sr 87Rb 27,835 % 4,81 · 1010 a.[14] β− 0,283 87Sr 88Rb {syn.} 17,78 min β− 5,316 88Sr 89Rb {syn.} 15,15 min β− 4,501 89Sr
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 85Rb 5/2 2,583 · 107 0,0105 19,3 87Rb 3/2 8,753 · 107 0,175 65,4
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[15] Gefahr H- und P-Sätze H: 260​‐​314 EUH: 014 P: 223​‐​231+232​‐​260​‐​280​‐​303+361+353​‐​305+351+338[15]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Robert Bunsen

Rubidium wurde erstmals 1861 von Gustav Robert Kirchhoff und Robert Wilhelm Bunsen beschrieben. Sie untersuchten Lepidolith aus Sachsen und trennten zunächst Calcium, Strontium, Magnesium und Lithium ab. Anschließend fällten sie den Rückstand mit Platinchlorid. In diesem waren zunächst nur Spektrallinien des Kaliums sichtbar. Nach mehrfacher Extraktion mit heißem Wasser zeigten sich jedoch bislang unbekannte Spektrallinien, die keinem bekannten Element zuzuordnen waren. Charakteristisch waren insbesondere zwei dunkelrote Linien. Nach diesen nannten Kirchhoff und Bunsen das neue Element Rubidium von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘.^[16]

Um Rubidiumchlorid zu gewinnen, verarbeitete Bunsen 150 kg Lepidolith. Nach dem Abtrennen von Lithium und Erdalkalimetallen wurde der verbliebene Rückstand in Wasser gelöst und mit Platinchlorid als unlösliches Hexachloridoplatinat gefällt. Kalium konnte durch mehrmaliges Aufkochen in wenig Wasser entfernt werden. Anschließend wurde das Salz getrocknet, Platin mit Wasserstoff zum Element reduziert und das wasserlösliche Rubidiumchlorid ausgelaugt. Er konnte schließlich das Atomgewicht des Rubidiums bestimmen. Sein gemessener Wert von 85,36 liegt sehr nahe am tatsächlichen von 85,48.^[16]

Auch im Mineralwasser aus Dürkheim, in dem Bunsen und Kirchhoff zeitgleich das Caesium entdeckt hatten, fand sich Rubidium. Sie gewannen aus 44.200 kg Dürkheimer Solewasser 9,2 g Rubidiumchlorid und 7,2 kg Caesiumchlorid. Die Trennung der beiden Elemente erfolgte unter Ausnutzung der unterschiedlichen Löslichkeit der Carbonate in absolutem Ethanol, worin Caesiumcarbonat im Gegensatz zur entsprechenden Rubidiumverbindung löslich ist.^[16]

Die beiden Forscher konnten kein elementares Rubidium gewinnen, denn bei der Elektrolyse von geschmolzenem Rubidiumchlorid entstand anstelle des Metalls eine blaue Verbindung, die sie als Subchlorid bezeichneten, bei der es sich aber wahrscheinlich um eine kolloide Mischung von Rubidium und Rubidiumchlorid handelte.^[17] Bei der Elektrolyse einer wässrigen Lösung mit einer Quecksilberkathode bildete sich das leicht zersetzbare Rubidiumamalgam.^[16] Die Darstellung elementaren Rubidiums gelang Robert Bunsen 1863 durch Erhitzen von verkohltem Rubidiumtartrat und Abdestillieren des entstandenen Metalls. Sein gemessener Schmelzpunkt des Metalls lag bei 38,5 °C und damit weniger als ein Grad vom tatsächlichen Wert von 39,3 °C entfernt.^[18]

Technisch wurde Rubidium erstmals in den 1920er Jahren in Form von Rubidium-Photozellen in geringen Mengen eingesetzt.^[19] Ab den 1960ern wurden Rubidium-Atomuhren kommerziell verwendet.^[20] 1995 erzeugten Eric A. Cornell und Carl E. Wieman mit Rubidiumatomen das erste Bose-Einstein-Kondensat.^[21][22]

Vorkommen

Rubidium gehört zur Gruppe der inkompatiblen Elemente und tritt in der Regel zusammen mit diesen in erhöhten Konzentrationen auf.^[23] Das Element kommt in kleiner Konzentration in einigen Mineralien wie Pollucit und Zinnwaldit vor.^[24] Lepidolith (bis zu 1,5 %) und Leucit enthalten ebenfalls Rubidium.

Erst in den letzten Jahren wurden auch eigenständige Rubidium-Minerale entdeckt. Dazu gehört der Rubiklin (Rb(AlSi₃O₈)), der 1998 auf der Insel Elba gefunden wurde und strukturell dem Mikroklin entspricht, aber mehr Rubidium als Kalium enthält.^[25] Außer Rubiklin sind bisher mit Voloshinit (Rb(LiAl_1,5☐_0,5)(Al_0,5Si_3,5)O₁₀F₂) und Ramanit-(Rb) (RbB₅O₆(OH)₄·2H₂O) nur zwei weitere Minerale mit formelrelevantem Gehalt an Rubidium bekannt (2023).^[26][27]

Darstellung

1 g Rubidium in einer Ampulle

Im Labor erfolgt die Darstellung kleiner Mengen reinen Rubidiums über die Reduktion des Chromats oder Dichromats mittels Zirconium:^[28][29]

${\displaystyle {\ce {Rb2Cr2O7 + 2 Zr -> 2 Rb + 2 ZrO2 + Cr2O3}}}$

oder die thermische Zersetzung von Rubidiumazid:^[30]

${\displaystyle {\ce {2 RbN3 -> 2 Rb + 3 N2}}}$

sowie anschließender Destillation im Hochvakuum.

Metallisches Rubidium kann außerdem durch Reduktion von Rubidiumchlorid mit Calcium im Vakuum hergestellt werden.^[1]

Eigenschaften

Die Flammenfärbung von Rubidium

Wie die anderen Alkalimetalle ist Rubidium an der Luft unbeständig und oxidiert. Mit Wasser reagiert es äußerst heftig unter Bildung von Rubidiumhydroxid und Wasserstoff, der sich in der Luft in der Regel entzündet. Mit Quecksilber bildet es ein Amalgam, mit den Metallen Gold, Caesium, Natrium und Kalium ist es legierbar. Rubidium ist ein starkes Reduktionsmittel.

Rubidium hat zwei dunkelrote Spektrallinien (daher der Name des Elements).^[31]

Isotope

Von den beiden natürlich vorkommenden Isotopen ist nur ⁸⁵Rb stabil, ⁸⁷Rb ist ein Betastrahler und zerfällt zu ⁸⁷Sr. Mit einer extrem langen Halbwertszeit von etwa 48 Milliarden Jahren ist seine Radioaktivität sehr gering.

Mehrere Isotope werden für bestimmte Anwendungen eingesetzt. Das Verhältnis von Rb- und Sr-Isotopen in Gesteinen wird zur radiometrischen Datierung auf kosmologischen Zeitskalen herangezogen.^[32] Für Zeitstandards werden ⁸⁷Rb und ⁸⁵Rb verwendet.^{[33] 82}Rb und ⁸⁶Rb werden zum Teil als Tracer verwendet.^[34][35]

Verwendung

Rubidium und seine Verbindungen besitzen ein nur kleines Anwendungsspektrum und werden hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung eingesetzt.

Die wichtigste Anwendung von Rubidium ist in Rubidiumuhren (einer Art von Atomuhren)^[36], bei denen ein Hyperfein-Übergang von ⁸⁷Rb als Frequenzgeber dient. Solche Rubidiumuhren dienen insbesondere als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS)^[33] und anderer Satelliten-Navigationssysteme (Galileo, Glonass, BeiDou).^[37][38]

In der Medizin dient ⁸²Rb als Tracer in PET-Perfusionsstudien des Myokards.^[34][39]

Rubidium wird nicht in dekorativer Pyrotechnik verwendet, kommt aber in spezieller Pyrotechnik im militärischen Bereich zum Einsatz, zum Beispiel für Infrarot-Tarnnebel und Infrarot-Flares.^[40]

Verwendung im wissenschaftlichen Bereich

Rubidium eignet sich zur Demonstration der Laserkühlung, da hier günstige Laserdioden für die relevanten Wellenlängen zur Verfügung stehen, sodass die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats vergleichsweise einfach möglich ist.^[41] Die Verwendung von Rubidium in Speichern für Quanten-Computer wird ebenfalls erforscht.^[42][43] Natrium-Rubidium-Tartrat wurde im Jahr 1951 für die erste Aufklärung einer absoluten stereochemischen Konfiguration verwendet.^[44]

Nachweis

Zum Nachweis von Rubidium kann man seine rotviolette Flammenfärbung nutzen. Im Spektroskop zeigt sich eine deutliche Emissionslinie bei 780,0 nm.^[8] Quantitativ lässt sich dies in der Flammenphotometrie zur Bestimmung von Rubidiumspuren nutzen. In der Polarographie zeigt Rubidium eine reversible kathodische Stufe bei −2,118 V (gegen SCE). Dabei müssen als Grundelektrolyt quartäre Ammoniumverbindungen (hier beispielsweise 0,1 M Tetramethylammoniumhydroxid) verwendet werden, weil andere Alkali- oder Erdalkalimetallionen sehr ähnliche Halbstufenpotentiale besitzen.^[45]

Ein weiterer qualitativer Nachweis ist die Bildung eines schwerlöslichen Tripelsalzes in schwach saurer Lösung mit Natrium-, Bismut- und Nitritionen, die einen gelbgefärbten Niederschlag der Zusammensetzung RbNaBi(NO₂)₆ liefern, dessen Kristalle eine oktaedrische Form aufweisen. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,5 mg Rubidium. Diese kann durch Verwendung von Silberionen anstelle der Natriumionen noch gesteigert werden, allerdings liefert Caesium eine ähnliche Reaktion.^[46]

Physiologie

Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell, bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein.^[47] Der Rubidiumbedarf des Menschen dürfte bei weniger als 100 µg pro Tag liegen. Mit der üblichen Mischkost kommt er auf etwa 1,7 mg am Tag. Ein Rubidiummangel ist bei diesem Angebot ebenso wenig zu erwarten wie eine nutritive Rubidiumbelastung. Tee und Kaffee – Arabica-Kaffee hat den höchsten Rubidium-Gehalt, der in Lebensmitteln festgestellt wurde (Arabica-Bohne: 25,5–182 mg/kg Trockensubstanz)^[48] – liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der verzehrten Rubidiummenge. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern,^[49] wobei es die entgegengesetzte Wirkung zum Lithium hat.^[50] Ein therapeutischer Einsatz von Rubidium bei bipolarer Störung wurde im 20. Jahrhundert untersucht. Aus dieser Untersuchung ergab sich keine Empfehlung für einen breiten Einsatz zur Behandlung dieser Störung.^[51] Ein Rubidiummangel kann bei Dialysepatienten vorliegen.^[52][53]

Sicherheitshinweise

Rubidium ist selbstentzündlich und reagiert äußerst heftig mit Wasser. Aus Sicherheitsgründen ist Rubidium in trockenem Mineralöl, im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre aufzubewahren.

Rubidium-Ionen sind nur in sehr großen Mengen gesundheitsschädlich.^[54]

Verbindungen

Oxide und Hydroxide

• Rubidiumoxid Rb₂O
• Rubidiumperoxid Rb₂O₂
• Rubidiumhyperoxid RbO₂
• Rubidiumozonid RbO₃
• Rubidiumhydroxid RbOH

Halogenide

• Rubidiumfluorid RbF
• Rubidiumchlorid RbCl
• Rubidiumbromid RbBr
• Rubidiumiodid RbI
• Rubidiumtriiodid RbI₃

Sonstige Verbindungen

• Rubidiumnitrat RbNO₃
• Rubidiumsulfat Rb₂SO₄
• Rubidiumhydrogensulfat RbHSO₄

• Rubidiumchlorat RbClO₃
• Rubidiumperchlorat RbClO₄
• Rubidiumbromat RbBrO₃
• Rubidiumiodat RbIO₃
• Rubidiumperiodat RbIO₄

• Rubidiumchromat Rb₂CrO₄
• Rubidiumdichromat Rb₂Cr₂O₇
• Rubidiumcarbonat Rb₂CO₃
• Rubidiumhydrogencarbonat RbHCO₃
• Rubidiumdithionat Rb₂S₂O₆
• Rubidiumacetat CH₃COORb
• Rubidiumformiat HCOORb

• Rubidiumhydrid RbH
• Rubidiumamid RbNH₂
• Rubidiumazid RbN₃
• Rubidiumselenid Rb₂Se