Rubidium

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
KryptonRubidiumStrontium
K

Rb

Cs  
 
 
Rb-TableImage.png
Yleistä
Nimi Rubidium
Tunnus Rb
Järjestysluku 37
Luokka metalli
Lohko s
Ryhmä 1, alkalimetalli
Jakso 5
Tiheys 1,532×103 kg/m3
Kovuus 0,3 (Mohsin asteikko)
Väri hopeisen valkoinen
Löytövuosi, löytäjä 1861, Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff
Atomiominaisuudet
Atomipaino 85,4678[1] amu
Atomisäde, mitattu (laskennallinen) 235 (265) pm
Kovalenttisäde 211 pm
Van der Waalsin säde 244 pm
Orbitaalirakenne [Kr] 5s1
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 8, 1
Hapetusluvut +I
Kiderakenne tilakeskinen kuutiollinen (body centered cubic, BCC)
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuoto kiinteä
Sulamispiste 312,46 K (39,31 °C)
Kiehumispiste 961 K (688 °C)
Moolitilavuus 55,76×10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö 75,77 kJ/mol
Sulamislämpö 2,19 kJ/mol
Äänen nopeus 1300 m/s 293,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus 0,82 (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti 0,363 kJ/kg K
Sähkönjohtavuus (20 °C) 7,81 · 106 S/m
Lämmönjohtavuus (300 K) 58,2 W/(m×K)
CAS-numero 7440-17-7
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Rubidiumia lasiampullissa

Rubidium (lat. rubidium) on alkalimetalleihin lukeutuva alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Rb ja järjestysluku 37. Sen atomimassa on 85,47 amu ja isotoopit 81-97. Rubidium on hopeanvärinen, pehmeä metalli, joka muiden alkalimetallien tavoin reagoi erittäin kiivaasti veden kanssa. Sen löysivät Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff spektrianalyysin avulla Heidelbergissä vuonna 1861. Rubidiumia käytetään muun muassa atomikelloissa, valokennoissa ja katalyyttinä.[2]

Luonnossa rubidium sisältää ainoan pysyvän isotoopin (85) lisäksi n. neljänneksen hajoavaa isotooppia 87, joten luonnon rubidium on radioaktiivista.

Ominaisuudet ja rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidium (Rb) on yksi elektropositiivisimmista ja ei-radioaktiivisista metalleista ja kuuluu alkalimetallien ryhmään. Rubidium kuuluu jaksollisen järjestelmän ensimmäisen pääryhmän viidenteen jaksoon ja sijaitsee strontiumin vieressä. Rubidiumin sulamispiste on 40 °C, joten se voi esiintyä luonnossa myös nestemäisenä.[3]

Rubidiumin elektronikonfiguraatio on [Kr]5s1[3]. Rubidium saattaa syttyä itsestään palamaan ja muiden alkalimetallien tavoin reagoi erittäin kiivaasti veden kanssa vapauttaen vetyä. Kuten muutkin alkalimetallit, rubidium muodostaa elohopean kanssa amalgaameja.[4] Rubidiumin ja kaliumin liekit ovat molemmilla violetit, joten spektroskooppisia menetelmiä tarvitaan erottamaan nämä kaksi alkuainetta toisistaan[5].

Yhdisteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidiumin hapetusluku on lähes aina +I[4]. Rubidium voi muodostaa erilaisia yhdisteitä, joista rubidiumkloridi (RbCl) on eniten käytetty yhdiste[6]. Rubidiumkloridia käytetään biokemiassa merkkiaineena, koska luonnostaan sitä esiintyy elävissä organismeissa vain vähän[7]. Toinen yleinen rubidiumin yhdiste on rubidiumhydroksidi (RbOH), jota käytetään lähtöaineena monissa rubidiumpohjaisissa reaktioissa[8]. Rubidiumhopeajodidilla (RbAg4I5) on korkein johtavuus huoneenlämpötilassa kaikista tunnetuista ionikteistä[6]. Rubidiumilla on monia oksideja, joita syntyy, kun rubidium metalli joutuu ilman kanssa tekemisiin. Rubidium muodostaa suoloja halidien kanssa muodostaen muun muassa rubidiumfluoridia ja jo edellä mainittua rubidiumkloridia. [9]

Isotoopit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Luonnostaan rubidium esiintyy kahdella eri isotoopilla massaluvuilla 85 ja 87. Massaluvulla 85 esiintyvä rubidiumin isotooppi on pysyvä ja massaluvun 87 isotooppi on radioaktiivinen isotooppi, jota esiintyy luonnossa vain noin 28 %.[10] Radioaktiivisen rubidiumin hajoaminen luonnossa tapahtuu β--hajoamisella[11]. Radioaktiivinen rubidiumin isotooppi hajoaa negatiivisen beetapartikkelin emissiolla pysyväksi strontium-87:ksi. Lisäksi rubidiumilla on 24 muuta synteettisesti valmistettua isotooppia.[12] Rubidium-87 puoliintumisaika on 4,8*1010 vuotta[11]. Eräs rubidiumin synteettinen isotooppi on Rubidium-82, jota valmistetaan elektronisieppauksella strontium-82:sta. Tätä rubidiumin isotooppia käytetään positroniemissiokuvauksessa (PET) merkkiaineena. Rubidium-82 puoliintumisaika on 76 s.[13]

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidium löydettiin Heidelbergissä vuonna 1861[14]. Rubidiumin löysivät Gustav Kirchhoff ja Robert Bunsen tutkiessaan lepidoliittinäytettä spektroskoopilla. Rubidium on toinen alkuaine, joka on löydetty spektroskoopin avulla.  Nimensä alkuaine sai latinan sanasta rubidus, joka kuvaa rubidiumin tummanpunaisia spektriviivoja.[15] Lepidoliitin rubidiumpitoisuus oli niin pieni, että Bunsen ja Kirchhoff tarvitsivat 150 kilogrammaa malmia pystyäkseen erottamaan tarpeeksi rubidiumia sen ominaisuuksien tutkimiseksi[4].

Robert Bunsen eristi alkalimetalleja mineraalilähdevedestä saostamalla ne ensin kloroplatinaatteina ja erottamalla ne sen jälkeen toisistaan klorideina. Bunsen onnistui valmistamaan rubidiummetallia pelkistämällä rubidiumvetytartraattia hiilellä.[16]

Rubidiumia ei käytetty teollisissa sovelluksissa ennen 1920-lukua, jolloin sitä alettiin käyttää valokennoissa. Suurin osa käytetystä rubidiumista on hyödynnetty erilaisissa tutkimuksissa. Rubidiumia ja cesiumia voidaan käyttää samanlaisissa sovelluksissa, ja näissä sovelluksissa rubidium korvataan useimmiten cesiumilla.[17]

Vuonna 1995 Eric Cornell ja Carl E. Wieman jäähdyttivät rubidium-atomeja laserilla ja havaitsivat, että niiden nopeusjakaumassa suurin osa atomeista oli perustilassa eli atomit muodostivat Bosen-Einsteinin kondensaatin. Cornell ja Wieman saivat havainnostaan Nobel-palkinnon vuonna 2001.[18]

Esiintyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidiumia pidetään 16. runsaimpana alkuaineena maankuoressa[19]. Sitä löytyy muun muassa pollusiitista, leusiitista, karnalliitista ja zinnwaldiitista, joka sisältää rubidiumia oksidin muodossa noin 1 %:n [19][20]. Lepidoliitistä on löydetty jopa 1,5 % rubidiumia[19] ja sitä saadaan kaupallisesti tästä lähteestä litiumin uuton sivutuotteena[20]. Myös jotkut kaliummineraalit ja kaliumkloridit sisältävät rubidiumia kaupallisesti merkittävän määrän[19]. Merkittäviä rubidiumin lähteitä ovat muun muassa runsas pollusiittiesiintymä Kanadassa (Bernic Lake, Manitoba), josta saadaan myös cesiumia, sekä kaliummineraalit Kaliforniassa (Searles Lake) ja Michiganin suolavesistä saatu kaliumkloridi[19]. Merivesi sisältää rubidiumia keskimäärin 125 μg/L[21].


Tuotanto
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidiumyhdisteitä tuotetaan noin 2-4 tonnia vuodessa. Metallista rubidiumia voidaan saostaa elektrolyysin avulla[22]. Rubidiumia saadaan myös tuotettua lepidoliitin ja pollusiitin käsittelyn sivutuotteena. Kyseisiä malmeja louhitaan vain vähän ja valikoiduilla menetelmillä. Lepidoliittia ja pollusiittia etsitään lähinnä niiden litiumpitoisuuden takia.[17]


Rubidium saadaan erotettua malmeissa esiintyvistä samankaltaisista alkalimetalleista, kaliumista ja cesiumista, useiden kemiallisten reaktioiden jälkeen. Erottaminen perustuu useimmiten metallien suolojen erilaiseen liukoisuuteen[22]. Tavallisimmassa menetelmässä eri alkalimetallien alunoista muodostetaan ensin liuos. Liuos valmistetaan malmin mineraaleista joko uuttamalla malmeja pitkään rikkihapolla tai huuhtomalla malmin ja kipsin yhdistelmää kuumalla vedellä. Alunat erotetaan toisistaan ja puhdistetaan useamman kerran jakouudelleenkiteytyksen avulla. Tarvitaan kaiken kaikkiaan 30 uudelleenkiteytystä, jotta saadaan tuotettua puhdasta rubidiumalunaa [Rb2SO4:Al2(SO4)3•24 H2O]. Alunaa voidaan vielä jatkokäsitellä, jotta siitä saadaan muodostettua rubidiumhydroksidia (RbOH).[17]


Rubidiumin erottamiseksi lepidoliitin tai pollusiitin seoksesta voidaan käyttää myös menetelmiä, joista toisella saadaan tuotettua puhdasta rubidiumkloridia ja toisella rubidiumkarbonaattia[17].


Rubidiumia valmistavat pääasiassa samat yhtiöt, jotka tuottavat myös kysytympää cesiumia. Tanskassa, Saksassa, Venäjällä, Japanissa ja Iso-Britanniassa on muutamia yrityksiä, jotka käsittelevät rubidiumia sisältäviä malmeja ja valmistavat niistä metalleja tai erilaisia yhdisteitä. Kemianteollisuudessa tuotetaan jonkin verran rubidiumyhdisteiden johdannaisia.  Kokonaisuudes-saan rubidiumin tuotanto on hyvin pientä verrattuna muihin metalleihin. Tarkkoja arvioita maailman rubidiumesiintymien laajuudesta ei ole tehty, mutta on arvioitu että nykyisillä tuotantomäärillä Pohjois-Amerikan esiintymät pystyisivät yksinään vastaamaan rubidiumin kysyntään monien satojen vuosien ajaksi.[17]


Käyttö
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidiumia voidaan käyttää pienissä atomikelloissa, joiden toiminta perustuu atomin ominaisvärähtelyyn. Rubidium atomikello heittää kymmenessä vuodessa korkeintaan sekunnin tuhannesosan. Yleensä atomikelloissa käytetään cesiumia, jonka ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin rubidiumilla. Geologit käyttävät rubidiumin ja strontiumin isotooppeihin perustuvaa ajoitusmenetelmää määritellessään kiven ikää. Rubidiumia käytetään myös katalyyttina ja valokennoissa sekä tutkimustarkoituksissa. Koska rubidium on hyvin kallista, sen teollinen käyttö on vähäistä.[23]


Rubidium suoloja käytetään laseissa ja keramiikassa. Rubidiumia käytetään myös työaineena höyryturbiineissa ja poistamaan kaasujäämiä tyhjiöputkista.[4]Rubidiumnitraatti antaa ilotulitteille violetin värin. Rubidium on myös lievästi radioaktiivista ja siksi sitä on käytetty aivokasvainten paikannuksessa. Se kerääntyy kasvaimiin, mutta ei normaaliin kudokseen.[20] Höyrystynyttä rubidiumia käytetään laserjäähdytyksessä ja Bosen-Einsteinin kondensaatiossa[9].


Koska rubidiumia voidaan helposti ionisoida, sitä on harkittu käytettäväksi avaruusalusten ”ionimoottoreissa”. Cesium on kuitenkin tähän tarkoitukseen tehokkaampi. Rubidiumia on myös harkittu käytettäväksi termoelektrisissä generaattoreissa, joissa rubidium ionisoituu kuumentamalla korkeissa lämpötiloissa ja ohjaamalla magneettikentän läpi. Ionit johtavat sähköä ja toimivat generaattorin magneettisydämenä tuottaen sähkövirtaa. RbAg4I5:lla on korkein johtavuus huoneenlämpötilassa verrattuna muihin tunnettuihin ionikiteisiin. Lämpötilassa 20 ˚C sen johtavuus on samaa luokkaa laimean rikkihapon kanssa. Tästä johtuen sitä käytetään ohuissa filmiparistoissa ja muissa sovelluksissa.[19]


Myrkyllisyys, varotoimenpiteet ja biologiset vaikutukset
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Rubidium on erittäin helposti syttyvä. Rubidium tulee säilyttää inertin kaasun alla tiiviisti suljetussa astiassa tai lasiampuleissa inertissä tilassa. Rubidiumia ei saa varastoida yhdessä vahvojen hapettimien, veden tai happojen kanssa.[24]


Rubidiumilla kuten muillakin alkalimetalleilla hapetusluku on +1 myös veteen liuenneena, joten sen ioneilla on vaikutuksia biologisiin systeemeihin. Ihmiskeho käsittelee rubidium-ionia Rb+, kuten se olisi kaliumioni[25]. Näin ollen rubidiumionit ajautuvat kehon sisälle joutuessaan solun sisäiseen nesteeseen. Rubidiumilla ei ole biologista roolia, mutta sillä on todettu olevan pieni metaboliaa kiihdyttävä vaikutus[3]. Eläinkokeilla tehdyissä tutkimuksissa rubidium on huomattu vähentävän kasvainsolujen kasvua. Mahdolliset vaikutusmekanismit ovat rubidiumin kulkeutuminen kasvainsolun sisälle tai rubidiumionien kiinnittyminen syöpäsolujen solukalvoon.[26]


Rubidiumilla on myrkyllisiä vaikutuksia vesieliöille johtuen sen aiheuttamasta veden pH:n muutoksesta.[24]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
  2. Johanna Mannila: Rubidium löytyi spektrianalyysilla Helsingin Sanomat 14.11.2006. Viitattu 8.7.2010.
  3. a b c Rubidium – Rb Lenntech. Viitattu 6.5.2015.
  4. a b c d Rubidium element facts Chemicool. Viitattu 14.5.2015.
  5. Table of flame Colorations and emission Spectra Viitattu 14.5.2015.
  6. a b Facts about rubidium livescience. Viitattu 14.5.2015.
  7. Rubidium chloride ChEBI. Viitattu 14.5.2015.
  8. Rubidium hydroxide solution american elements. Viitattu 14.5.2015.
  9. a b Rubidium American elements. Viitattu 14.5.2015.
  10. Radioisotope data Viitattu 14.5.2015.
  11. a b Seppänen R, Kervinen M, Parkkila I, Karkela L, Meriläinen P: MAOL-taulukot, matematiikka, fysiikka ja kemia. Otava.
  12. Rubidium facts Viitattu 14.5.2015.
  13. Yoshinaga K ym.: Generator-produced rubidium-82 positron emission tomography myocardial perfusion imaging—From basic aspects to clinical applications. Journal of Cardiology.
  14. Weeks, Mary E: The discovery of the elements. XIII. Some spectroscopic discoveries. Journal of Chemical Education.
  15. It’s elemental: The Periodic Table: Rubidium. C&EN. Viitattu 9.5.2015.
  16. Hart, William A., Beumel, O. F., Whaley, Thomas P.: The Chemistry of Lithium, Sodium, Potassium, Rubidium, Cesium and Francium. Pergamon Press.
  17. a b c d e Butterman, William C., Brooks, William E., Reese Jr., Robert G.: Mineral Commodity Profile: Rubidium. United States Geological Survey.
  18. Press Release:The 2001 Nobel Prize in Physics Viitattu 10.5.2015.
  19. a b c d e f Rubidium Los Alamos National Laboratory. Viitattu 9.5.2015.
  20. a b c Rubidium Periodic Table. Viitattu 9.5.2015.
  21. Bolter, E; Turekian, K; Schutz, D: The distribution of rubidium, cesium and barium in the oceans. Geochimica et Cosmochimica Acta.
  22. a b Brande, William T., Taylor, Alfred S: Chemistry. Philadelphia: Blanchard and Lea.
  23. Mannila J.: Rubidium löytyi spektrianalyysilla 14.11.2006. Helsingin sanomat. Viitattu 9.5.2015.
  24. a b [www.alvatec.com/index.php/download_file/view/21/ Rubidium, Material safety data sheet] Alvatec. Viitattu 6.5.2015.
  25. Relman A: The Physiological Behavior of Rubidium and Cesium in Relation to That of Potassium. Yale journal of biology and medicine.
  26. 14.5.2015: Minerals Rubidium

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Rubidium.
Tämä kemiaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.