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外观
灰白色
概况
名称·符号·序数 铷(Rubidium)·Rb·37
元素类别 碱金属
·周期· 1 ·5·s
标准原子质量 85.4678(3)
电子排布

[] 5s1
2,8,18,8,1

历史
发现 罗伯特·威廉·本生古斯塔夫·基尔霍夫(1861年)
分离 乔治·德海韦西
物理性质
物态 固体
密度 (接近室温
1.532 g·cm−3
熔点时液体密度 1.46 g·cm−3
熔点 312.46 K,39.31 °C,102.76 °F
沸点 961 K,688 °C,1270 °F
临界点 2093(预测)[1] K,16 MPa
熔化热 2.19 kJ·mol−1
汽化热 75.77 kJ·mol−1
比热容 31.060 J·mol−1·K−1

蒸气压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 434 486 552 641 769 958
原子性质
氧化态 +1
(强碱性氧化物)
电负性 0.82(鲍林标度)
电离能

第一:403 kJ·mol−1
第二:2632.1 kJ·mol−1
第三:3859.4 kJ·mol−1

更多
原子半径 248 pm
共价半径 220±9 pm
范德华半径 303 pm
杂项
晶体结构 体心立方
磁序 顺磁性[2]
电阻率 (20 °C)128 n Ω·m
热导率 58.2 W·m−1·K−1
声速(细棒) (20 °C)1300 m·s−1
杨氏模量 2.4 GPa
体积模量 2.5 GPa
莫氏硬度 0.3
布氏硬度 0.216 MPa
CAS号7440-17-7
最稳定同位素

主条目:铷的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
83Rb 人造 86.2天 ε - 83Kr
γ 0.52, 0.53,
0.55
-
84Rb 人造 32.9天 ε - 84Kr
β+ 1.66, 0.78 84Kr
γ 0.881 -
β 0.892 84Sr
85Rb 72.168% 稳定,带48个中子
86Rb 人造 18.65天 β 1.775 86Sr
γ 1.0767 -
87Rb 27.835% 4.88×1010 β 0.283 87Sr

是一种化学元素,符号为Rb原子序数为37。铷是种质软、呈银白色的金属,属于碱金属原子量为85.4678。单质铷的反应性极高,其性质与其他碱金属相似,例如会在空气中快速氧化。自然出现的铷元素由两种同位素组成:85Rb是唯一一种稳定同位素,占72%;87Rb具微放射性,占28%,其半衰期为490亿年,超过宇宙年龄的三倍。

德国化学家罗伯特·威廉·本生古斯塔夫·基尔霍夫于1861年利用当时的新技术火焰光谱法发现了铷元素。

铷化合物有一些化学和电子上的应用。铷金属能够轻易气化,而且它有特殊的吸收光谱范围,所以常被用在原子激光操控技术上。

铷并没有已知的生物功用。但生物体对铷离子的处理机制和离子相似,因此铷离子会被主动运输到植物和动物细胞中。

历史

古斯塔夫·基尔霍夫(左)和罗伯特·威廉·本生(中)通过光谱法发现了铷元素。
古斯塔夫·基尔霍夫(左)和罗伯特·威廉·本生(中)通过光谱法发现了铷元素。

1861年,罗伯特·威廉·本生古斯塔夫·基尔霍夫在德国海德堡,利用光谱仪在锂云母中发现了铷元素。由于其发射光谱呈现出多条鲜明的红线,所以他们选择了拉丁文中意为“深红色”的“rubidus”一词为它命名。[3][4]

铷是锂云母中的一种次要成分。基尔霍夫和本生所处理的150公斤锂云母中,只含有0.24%的氧化铷(Rb2O)。钾和铷都会和氯铂酸形成不可溶盐,但在热水中,两种盐的可溶性有小许差异。可溶性稍低的六氯铂酸铷(Rb2PtCl6)可以经分级结晶的方法取得。用对六氯铂酸铷进行还原后,基尔霍夫和本生获得了0.51克的氯化铷。两人之后对铷和铯进行的首次大型萃取工序用到了4万4千升矿物水,并一共提取出7.3克氯化铯和9.2克氯化铷。[3][4]基尔霍夫和本生在发明光谱仪仅仅一年后就发现了铷元素。铷因此成为继铯以后第二个通过光谱学方法发现的元素。[5]

两人用提取出的氯化铷来估计铷的原子量,得出的数值为85.36(目前受认可的数值为85.47)。[3]他们试图对熔融氯化铷进行电解以取得单质铷,但他们取得了一种蓝色的均匀物质,且“无论在肉眼还是显微镜下都无法看出丝毫的金属成分”。他们推测这种物质是低价氯化铷Rb2Cl),不过它其实更可能是铷金属和氯化铷的胶体状混合物。[6]之后,本生进行了第二次尝试,对炭化了的酒石酸铷加热,成功还原了铷金属。尽管蒸馏出的铷会在空气中自燃,但本生仍能够测量出铷的密度和熔点。1860年代所取得的密度值,与今天认可的数值只相差0.1 g/cm3,熔点值的偏差也在1 °C以内。[7]

科学家在1908年发现了铷的微放射性,但同位素理论在1910年代才被建立起来,加上放射性铷的半衰期超过1010年,所以当时对这一现象的解释尤为困难。有关铷的衰变方式的争论一直持续到1940年代末。目前已证实,87Rb会经β衰变成为稳定的87Sr。[8][9]

1920年代以前,铷还没有工业用途。[10]此后,铷的最大应用在于化学和电子范畴的研究和开发。1995年,埃里克·康奈尔卡尔·埃德温·威曼沃尔夫冈·克特勒用铷-87实现了玻色–爱因斯坦凝聚[11]并因此获得了2001年的诺贝尔物理学奖[12]

性质

铷是一种质软、可塑性高的银白色金属。[13]在所有非放射性碱金属元素中,铷的电负性排行第二。其熔点为39.3 °C。铷金属会在水中剧烈反应,它会和产生汞齐,并且会和形成合金(但不会和形成合金,尽管锂和铷同属碱金属)。这些属性都和其他的碱金属相似。[14]与反应性稍低的钾和反应性稍高的铯一样,铷和水所产生的剧烈反应通常足以燃起所释放出来的氢气。它也可以在空气中自燃。[13]铷的电离能很低,只有406 kJ/mol。[15]铷在焰色测试中会发出紫色,和钾非常相似,所以要用到光谱学技术才能将两者分辨开来。[来源请求]

化合物

Rb9O2原子簇
Rb9O2原子簇

氯化铷(RbCl)是最常用的铷化合物之一。在生物化学中,它可以用来促使细胞吸取DNA。由于生物体内的铷极少,且铷会被活细胞吸收而代替钾,所以它能用作一种生物标记物。氢氧化铷(RbOH)具有腐蚀性,能作为大部分用到铷的化学反应的初始化合物。其他铷化合物还包括用在某些眼镜镜片中的碳酸铷(Rb2CO3),以及硫酸铷铜(Rb2SO4·CuSO4·6H2O)等。碘化铷银(RbAg4I5)是所有已知离子晶体中,室温电导率最高的。在制造薄膜电池时可以利用这一属性。[16][17]

铷的氧化物有若干种,包括氧化铷(Rb2O)、Rb6O和Rb9O2,后两种低氧化物可以在空气中燃烧。铷暴露在空气中即会产生这些氧化物。在氧气过剩的环境下,则会形成超氧化物(RbO2)。铷和卤化物形成盐,例如氟化铷氯化铷溴化铷碘化铷等。[18]

同位素

虽然铷是一种单一同位素元素(即只有一种稳定同位素),但自然界中的铷元素却由两种同位素组成:稳定的85Rb(占72.2%)以及放射性同位素87Rb(占27.8%)。[19]因此自然界中的铷具有放射性,比活性约为670 Bq/g。这样的辐射水平可以在110天内于照相底片上留下影像。[20][21]85Rb和87Rb之外,还有30种非自然生成的同位素。它们具有放射性,半衰期都在3个月以内。[22]

铷-87的半衰期48.8×109年,这是宇宙年龄13.798×109年的三倍有余。[23]它是一种原生核素,在地球形成时便已存在。在矿物中,铷常会代替元素的位置,所以其分布广泛。87Rb在释放一个负β粒子之后,会衰变成稳定的87Sr,这可以用于测定岩石的年龄。在地球内部的分级结晶过程中,锶会集中在斜长石中,留下处于液态的铷。因此,在残余岩浆中铷对锶的比例会随时间增加,经活成分异作用形成铷/锶比例较高的岩石。伟晶岩中的铷/锶比例最高(10以上)。如果可以测得或推算出最初的锶含量,那么通过测量目前铷和锶的含量以及87Sr/86Sr比例,就可以算出该岩石样本的年龄。这一年龄只有在岩石不曾受变动的情况下才等于真实的年龄值。[24][25]

铷-82是其中一种人造同位素,可经锶-82的电子捕获衰变过程产生,反应的半衰期为25.36年。铷-82会再经正电子发射衰变为稳定的-82,半衰期为76秒。[19]

存量

铷在地球地壳中的丰度在所有元素中排第23位,与相近,比更常见。[26]它自然出现在白榴石、铯榴石、光卤石和铁锂云母等矿物之中,氧化铷大约占这些矿物的1%。锂云母中的铷含量在0.3%和3.5%之间,是铷的主要商业来源。[27]某些含矿物和氯化钾都会含有不少的铷元素,有商业开采价值。[28]

铷在海水中的浓度平均为125 µg/L。相比之下,钾的浓度则高得多(408 mg/L),铯则低得多(0.3 µg/L)。[29]

由于离子半径较大,所以铷属于所谓的“不相容成分”。[30]在熔岩结晶过程中,铷和更重的同族元素铯聚集在一起,处于液态,是最后一个结晶的成分。因此,含有铷和铯的最大矿藏,都是经由这种浓缩过程所形成的伟晶岩矿带。由于铷会在结晶时代替的位置,所以其浓缩的程度远低于铯。从含有铯榴石的伟晶岩中可开采出铯,从锂云母中可开采出锂,过程中也会产生铷作副产品。[26]

铷的主要矿藏包括:位于加拿大曼尼托巴省伯尼克湖的铯榴石矿藏,以及意大利厄尔巴岛上的铷长石((Rb,K)AlSi3O8)矿藏,其铷含量高达17.5%。[31]以上两处同时也是铯的来源。[来源请求]

生产

虽然铷在地壳中比铯更常见,但其应用不广,加上缺乏一种富含铷的矿物,所以各种铷化合物的年产量只有2至4吨。[26]分离钾、铷和铯的方法有若干种。对铷和铯矾重复进行分级结晶,30次以后便可获得纯铷矾。另外两种方法分别利用氯锡酸盐和亚铁氢化物。[26][32]

1950至1960年代,钾生产过程中一种称为“Alkarb”的副产品曾经是铷元素的主要来源。Alkarb含21%的铷,其余大部分是钾,另有少量铯。[33]如今,铷是铯开采过程中的一种副产品,加拿大曼尼托巴省的铯榴石矿就是其中一例。[26]

铷的焰色测试
铷的焰色测试

应用

在美国海军天文台的铷喷泉原子钟。
美国海军天文台的铷喷泉原子钟

铷化合物有时会被添加在烟花当中,使它发出紫光。[34]铷可以用在磁流体发动机和热传导发电机中:高温下形成的铷离子经过磁场[35]作用就像发电机中的电枢,因而产生电流。用它制成的激光二极管价廉,且激光波长范围适宜,维持高蒸气压所需的温度也在中等范围内,所以铷(特别是87Rb)是激光冷却玻色–爱因斯坦凝聚应用上最常用的一种原子。[36][37]

科学家曾用铷对3He进行极化,这样产生的3He气体拥有单一方向,而不是随机方向的核自旋。激光对铷气体进行光抽运,极化了的铷就会通过超精细交互作用使3He极化。[38]这样自旋极化了的3He气体可以用在中子极化测量中,或用于制造极化中子作其他用途。[39]

原子钟的共振元件可以利用铷的能级的超精细结构,因此铷已被应用在高精度计时上。全球定位系统(GPS)常利用铷频率标准来生成一个比铯频率标准更精准、成本更低的“主频率标准”。[40][41]这种铷频率标准在电信工业中有大规模的生产。[42]

铷的其他潜在应用包括:蒸汽涡轮中的工作流体、真空管中的吸气剂以及光度感应器元件等。[43]铷是一些特殊玻璃的成分,也可用于制造超氧化物。它能够在细胞中代替钾的位置,所以能被用来研究离子通道。铷气体还被用于原子磁强计中。[44]科学家正在用87Rb,连同其他碱金属,来开发无自旋交换弛豫(SERF)原子磁强计。[44]

铷-82可用于正电子发射电脑断层扫描。铷和钾相似,所以含有大量钾的生物组织也会积聚具放射性的铷元素。这一原理主要应用在心肌灌注成像。铷-82的半衰期只有76秒,所以必须从靠近病人的锶-82衰变而得。[45]由于脑肿瘤血脑屏障有所变异,所以肿瘤会比正常脑组织更容易积累铷。核医学可以利用这一原理对肿瘤进行定位和照相。[46]

科学家曾做过实验,以研究铷对患有躁郁症抑郁症的病人有何影响。[47][48]透析治疗期间患上抑郁症的病人体内缺少铷,所以补充铷元素可能可以舒缓抑郁症。[49]在某些试验中,病人须连续60天摄入720 mg的氯化铷。[50][51]

安全

危险性
GHS危险性符号
GHS提示词 Danger
H-术语 H260, H314
P-术语 P223, P231+232, P280, P305+351+338, P370+378, P422[52]
NFPA 704
4
3
2
 
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

铷金属会和水发生剧烈的反应,甚至会着火;即使放在煤油中,也会缓慢反应,并被溶解的少量氧给氧化。因此,铷一般保存在真空安瓿或充有稀有气体(如氩气)的安瓿中。只要接触到少许的空气,包括渗入油中的氧气,铷就会变成过氧化铷。因此它的安全措施和钾金属相似。[53]

与钠和钾一样,铷溶在水中的时候几乎永远呈+1氧化态,在所有生物体内的铷也一样。Rb+离子在人的体内似乎和钾离子无异,所以主要积聚在细胞内液中。[54]铷离子并没有明显的毒性:一个70公斤重的人体内平均含有0.36克的铷,而在这一数值提升50甚至100倍之后,也没有对试验对象造成任何明显的负面影响。[55]铷在人体内的生物半衰期为31至46天。[47]在老鼠身上进行的实验指出,如果体内一小部分钾替换成铷,身体是能够承受的,但一旦肌肉组织内一半的钾都换成铷,老鼠便会死亡。[56][57]

参考资料

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延伸阅读

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  • Steck, Daniel A. Rubidium-87 D Line Data (PDF). Los Alamos National Laboratory (technical report LA-UR-03-8638). [2014-12-17]. (原始内容 (PDF)存档于2013-11-02). 

外部链接

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