Оксид рубидия

Оксид рубидия (Rb₂O) — бинарное неорганическое соединение щелочного металла рубидия с кислородом. Относится к классу основных оксидов. Вещество представляет собой светло-жёлтые кристаллы кубической сингонии (структурный тип флюорита CaF₂). Оксид рубидия обладает высокой химической активностью: бурно реагирует с водой и влагой воздуха, что обусловливает необходимость строгих условий хранения и обращения. В промышленности применяется как катализатор в органическом синтезе, а также как компонент специальных стёкол и керамики.

Общая характеристика и формула оксида рубидия

Химическая формула вещества — Rb₂O. Регистрационный номер CAS — 18088-11-4. Молекулярная масса составляет 186,94 г/моль. По химической классификации оксид рубидия является типичным основным оксидом щелочного металла. Как и другие оксиды щелочных металлов (Li₂O, Na₂O, K₂O, Cs₂O), Rb₂O проявляет выраженные основные свойства, однако значительно превосходит оксиды лития и натрия по химической активности.

В природе оксид рубидия в свободном виде не встречается из-за высокой реакционной способности. Элемент рубидий входит в состав ряда минералов — лепидолита, поллуцита, циннвальдита и амазонита — но содержание Rb₂O в них не превышает 1–3,5 %. Весь товарный оксид рубидия получают синтетическим путём.

Физические свойства Rb₂O

Оксид рубидия — твёрдое кристаллическое вещество желтовато-белого цвета. Устойчив в сухом чистом воздухе при комнатной температуре. Гигроскопичен — активно поглощает влагу из атмосферы. Основные физические характеристики вещества приведены в таблице ниже.

Кристаллическая структура

При комнатной температуре оксид рубидия кристаллизуется в кубической сингонии (пространственная группа Fm3m), параметр решётки a = 0,6756 нм, число формульных единиц в ячейке Z = 4. Структура относится к типу флюорита (CaF₂). При нагревании выше 150 °C кристаллы претерпевают фазовый переход, приобретая жёлто-оранжевую окраску. При 340 °C происходит второй фазовый переход — из кубической α-модификации в гексагональную β-модификацию.

Термическая устойчивость

Оксид рубидия термически нестабилен. При нагревании в диапазоне 400–550 °C происходит диспропорционирование с образованием металлического рубидия и пероксида рубидия (Rb₂O₂). Этот же процесс протекает под действием света при комнатной температуре, поэтому вещество следует хранить в тёмном месте. Температура 505 °C указывается как температура плавления, однако она достижима только при избыточном давлении кислорода — в обычных условиях вещество разлагается прежде, чем успевает расплавиться.

Химические свойства оксида рубидия

Rb₂O — сильное основание. Химическая активность вещества чрезвычайно высока, что обусловлено положением рубидия в группе щелочных металлов (большой ионный радиус, низкая энергия ионизации).

Взаимодействие с водой

Оксид рубидия бурно реагирует с водой с выделением значительного количества теплоты. Продуктом реакции является гидроксид рубидия (RbOH) — одно из сильнейших оснований:

Rb₂O + H₂O → 2RbOH

Реакция протекает экзотермически и может сопровождаться разбрызгиванием. При контакте с влагой воздуха поверхность вещества быстро покрывается слоем гидроксида. Именно из-за этой реакции оксид рубидия считается гигроскопичным и водореактивным веществом.

Взаимодействие с кислотами

Как типичный основный оксид, Rb₂O легко реагирует с кислотами, образуя соответствующие соли и воду:

Rb₂O + 2HCl → 2RbCl + H₂O

Rb₂O + 2HNO₃ → 2RbNO₃ + H₂O

Взаимодействие с кислотными оксидами

Rb₂O реагирует с кислотными оксидами, образуя соли. При контакте с влажным углекислым газом при комнатной температуре образуется карбонат рубидия:

Rb₂O + CO₂ → Rb₂CO₃

При контакте с влажным CO₂ реакция может сопровождаться самовоспламенением вещества.

Взаимодействие с другими веществами

Оксид рубидия вступает в реакцию с жидким аммиаком при температуре около −50 °C, при этом образуется смесь амида рубидия (RbNH₂) и гидроксида рубидия. При температуре 150–200 °C Rb₂O реагирует с водородом, фтором и хлором. Расплав оксида рубидия агрессивно воздействует на стекло, а также разрушает никель, серебро, платину и частично золото. Вещество бурно реагирует с расплавленной серой.

Способы получения оксида рубидия

Получение чистого Rb₂O представляет значительную техническую сложность из-за высокой реакционной способности как исходного металла, так и конечного продукта. Ниже перечислены основные промышленные и лабораторные методы синтеза.

Восстановление нитрата рубидия металлическим рубидием

Согласно справочной литературе, наиболее надёжный лабораторный метод — восстановление безводного нитрата рубидия избытком металлического рубидия:

10Rb + 2RbNO₃ → 6Rb₂O + N₂

Этот метод позволяет получить продукт высокой чистоты, так как побочным продуктом является только газообразный азот.

Взаимодействие рубидия с гидроксидом рубидия

При нагревании металлического рубидия с его гидроксидом до температуры порядка 600 °C образуется оксид рубидия и выделяется водород:

2Rb + 2RbOH → 2Rb₂O + H₂↑

Метод применяется в лабораторных условиях. Прямая дегидратация гидроксида рубидия нагреванием (без добавления металлического Rb) не приводит к образованию оксида — это важное отличие от некоторых других щелочных гидроксидов.

Медленное окисление рубидия кислородом

При контролируемом взаимодействии металлического рубидия с ограниченным количеством кислорода при пониженной температуре (на холоду) можно получить Rb₂O:

4Rb + O₂ → 2Rb₂O

Важно: при сгорании рубидия на воздухе в обычных условиях преимущественно образуется не оксид, а надпероксид рубидия (RbO₂) с примесью пероксида (Rb₂O₂). Получение именно Rb₂O требует ограниченного доступа кислорода и низкой температуры.

Термическое разложение соединений рубидия

Оксид рубидия может быть получен термическим разложением ряда его соединений:

Области применения

Практическое использование оксида рубидия ограничено его высокой стоимостью и сложностью обращения. Тем не менее вещество находит применение в ряде направлений.

Катализ в органическом синтезе

Основная подтверждённая область применения — использование в качестве катализатора в реакциях органического синтеза. Соединения рубидия, включая его оксид, способны ускорять ряд каталитических процессов: гидрирование, окисление, синтез короткоцепочечных спиртов.

Стекольная и керамическая промышленность

Rb₂O используется как модифицирующая добавка при производстве специальных стёкол и керамики. Введение оксида рубидия в стекольную шихту позволяет улучшить электрофизические свойства стекла — в частности, снизить электрическую проводимость, повысить стабильность и долговечность изделий. Это востребовано в производстве оптоволоконных компонентов для телекоммуникаций.

Электроника и научные исследования

Оксид рубидия используется при изготовлении отдельных типов электронных компонентов. Вещество находит применение в исследованиях, связанных со сверхпроводимостью, фотокатализом и разработкой твёрдотельных электролитов. Соединения рубидия также применяются в атомных часах, магнитометрах и квантовых вычислениях, хотя в этих областях чаще используют другие формы — металлический рубидий или его соли.

Прекурсор для синтеза

Rb₂O служит исходным реагентом для получения других соединений рубидия — в частности, гидроксида рубидия, хлорида, нитрата и карбоната. Однако на практике в качестве прекурсора чаще применяется именно гидроксид или карбонат рубидия, как более удобные в обращении и более дешёвые.

Требования безопасности при работе с Rb₂O

Оксид рубидия — опасное химическое вещество. Согласно Согласованной на глобальном уровне системе классификации (GHS), веществу присвоены следующие указания опасности:

Сигнальное слово — «Опасно». Rb₂O является коррозионным (едким) веществом, вызывающим химические ожоги при попадании на кожу, в глаза и при вдыхании пыли. При контакте с водой или влагой воздуха образуется гидроксид рубидия, который также является сильной едкой щёлочью.

Средства индивидуальной защиты

При работе с оксидом рубидия необходимы: химически стойкие перчатки, защитные герметичные очки или лицевой щиток, спецодежда, респиратор для защиты от пыли. Работы проводятся в вытяжном шкафу или в инертной атмосфере (аргон).

Условия хранения и транспортировки

Хранить Rb₂O следует в герметичной таре под сухим инертным газом (аргон), в сухом прохладном помещении, вдали от источников влаги и воды. Не допускается контакт с кислотами, окислителями и галогенами. Тара должна быть чётко промаркирована. При транспортировке соблюдаются правила обращения с коррозионными и водореактивными химическими веществами.

Формы поставки оксида рубидия

Оксид рубидия поставляется в виде порошка или мелкокристаллической массы различной степени чистоты (от технической 99,0 % до высокочистой 99,9 % и выше). Фасовка — от лабораторных количеств (граммы) до промышленных партий (килограммы) в герметичной таре под инертным газом. Конкретные условия поставки, объёмы и требования к чистоте — по согласованию с заказчиком.

Отличия Rb₂O от пероксида и надпероксида рубидия

При работе с соединениями системы «рубидий — кислород» важно различать три основных оксида, которые существенно различаются по свойствам и условиям образования:

При горении рубидия на воздухе преимущественно образуется надпероксид RbO₂, а не оксид. Именно поэтому получение чистого Rb₂O требует контролируемых условий синтеза.