Рубидий металлический

Рубидий (Rb) — щелочной металл серебристо-белого цвета с атомным номером 37 и атомной массой 85,4678. Элемент относится к 1-й группе (IA) пятого периода периодической системы Менделеева. Металлический рубидий при комнатной температуре имеет почти пастообразную консистенцию и на свежем срезе обладает характерным металлическим блеском, который мгновенно исчезает на воздухе из-за бурного окисления. По химическому поведению рубидий близок к калию и цезию, но значительно превосходит калий по реакционной способности.

Физические свойства металлического рубидия

Рубидий — один из самых легкоплавких металлов. Его температура плавления составляет всего 39,32 °C, то есть достаточно тепла ладони, чтобы образец начал переходить в жидкое состояние. Кристаллическая решётка рубидия — кубическая объёмноцентрированная (ОЦК) с параметром элементарной ячейки a = 5,71 Å. Пары́ рубидия окрашены в зеленовато-синий цвет.

Рубидий является первым щелочным металлом в своей группе, плотность которого превышает плотность воды — в отличие от лития, натрия и калия, он тонет. По электропроводности рубидий уступает большинству промышленных проводников, но его ключевой особенностью является исключительно низкий потенциал ионизации (403 кДж/моль), что определяет широкое применение в фотоэлектронике.

Изотопный состав природного рубидия

Природный рубидий представлен двумя изотопами: стабильным ⁸⁵Rb (72,17 %) и радиоактивным ⁸⁷Rb (27,83 %). Изотоп ⁸⁷Rb является β-излучателем с периодом полураспада около 4,75·10¹⁰ лет и превращается в ⁸⁷Sr. На этом превращении основан рубидий-стронциевый метод геохронологии, используемый для датировки горных пород и минералов возрастом от нескольких десятков миллионов лет. Естественная радиоактивность рубидия настолько слаба, что не представляет опасности при обращении с металлом.

Химические свойства рубидия

Рубидий обладает чрезвычайно высокой реакционной способностью. Стандартный электродный потенциал пары Rb⁺/Rb составляет −2,925 В, что делает его одним из наиболее сильных восстановителей среди металлов. При работе с рубидием необходимо строго соблюдать правила техники безопасности: металл относится ко II классу опасности.

Взаимодействие рубидия с кислородом и водой

На воздухе металлический рубидий мгновенно окисляется с воспламенением. Продуктом горения является надпероксид рубидия RbO₂ с примесью пероксида Rb₂O₂. При контакте с водой реакция протекает со взрывом — выделяется водород, который тут же воспламеняется, и образуется гидроксид рубидия RbOH:

2Rb + 2H₂O → 2RbOH + H₂↑

Гидроксид рубидия — одна из сильнейших щелочей, исключительно агрессивная по отношению к стеклу и большинству конструкционных материалов.

Взаимодействие с неметаллами и стеклом

Рубидий энергично взаимодействует с галогенами, серой и фосфором. С бромом реакция может сопровождаться взрывом, с йодом протекает при нагревании. При температурах выше 300 °C рубидий разрушает стекло, восстанавливая диоксид кремния SiO₂ до элементарного кремния. Это обстоятельство определяет особые требования к условиям хранения и ограничения при выборе тары.

Рубидий растворяется в жидком аммиаке с образованием раствора синего цвета, содержащего сольватированные электроны. С ацетиленом образует ацетиленид Rb₂C₂. С CO₂ и CCl₄ реакция протекает со взрывом.

Сплавы и интерметаллиды

Рубидий образует амальгамы с ртутью, сплавы с золотом, железом, цезием, натрием и калием. С литием рубидий сплавов не образует, несмотря на принадлежность к одной группе. Рубидий также формирует интерметаллиды с кадмием, галлием, индием, оловом, свинцом и висмутом.

Распространённость и сырьевая база

Содержание рубидия в земной коре составляет около 7,8·10⁻³ % по массе — это сопоставимо с содержанием никеля, меди и цинка. Тем не менее рубидий является типичным рассеянным элементом и собственных минералов не образует. Он входит в виде изоморфной примеси в минералы калия (карналлит, сильвин) и в алюмосиликаты (лепидолит, циннвальдит, амазонит, биотит). Наиболее значительные концентрации рубидия содержатся в минералах-концентраторах — лепидолите и поллуците.

Соли рубидия присутствуют также в морской воде и в водах ряда минеральных источников. Промышленное извлечение рубидия осуществляется при комплексной переработке минерального сырья — главным образом как побочный продукт при получении лития из лепидолита и цезия из поллуцита.

Получение металлического рубидия

Основной промышленный метод получения металлического рубидия — вакуумно-термическое восстановление хлорида рубидия (RbCl) кальцием или магнием при температуре 600–700 °C в вакууме. Полученный металл очищают от примесей ректификацией и вакуумной дистилляцией.

Второй метод — электрохимический: электролиз расплавленных галогенидов рубидия на жидком свинцовом катоде с получением свинцово-рубидиевого сплава, из которого рубидий затем выделяют дистилляцией в вакууме.

Для получения небольших количеств рубидия высокой чистоты используют термическое разложение азида рубидия (RbN₃) при нагреве до 390–395 °C в вакууме. Мировой объём производства рубидия и его соединений составляет всего 2–4 тонны в год, что обусловлено ограниченным спросом и высокой стоимостью металла.

Марки металлического рубидия

Металлический рубидий выпускается нескольких марок, различающихся степенью чистоты и содержанием примесей. Марки А и Б предназначены преимущественно для лабораторных исследований и производства высокоточных приборов. Марка В (техническая) используется в промышленных целях.

Ключевое различие между марками А и Б заключается в суммарном содержании примесей щелочных металлов (Na, K, Cs) и, в особенности, в содержании железа: у марки А массовая доля Fe на два порядка ниже, чем у марки Б. Марка В допускает значительно более высокое содержание цезия (до 0,9 %), что делает её пригодной для промышленных задач, не требующих высокой чистоты.

Области применения рубидия в промышленности

Несмотря на малый объём производства, рубидий и его соединения находят применение в ряде высокотехнологичных отраслей. Основные направления использования определяются уникальными физическими свойствами элемента: низким потенциалом ионизации, светочувствительностью, лёгкой испаряемостью и способностью к образованию специфических соединений.

Фотоэлектроника и электровакуумная техника

Металлический рубидий — компонент материала катодов для фотоэлементов и фотоэлектрических умножителей (ФЭУ). Рубидий светочувствителен и легко ионизируется видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой частями спектра. Сплавы рубидия с сурьмой, висмутом и другими элементами теряют электроны под действием света, что используется при производстве фотокатодов.

В электровакуумной технике рубидий применяется как геттер — вещество для поглощения остаточных газов в вакуумных лампах и электронно-лучевых приборах. Высокая реакционная способность с кислородом и другими газами делает его эффективным поглотителем.

Ракетная и космическая техника

Металлический рубидий входит в состав смазочных композиций, работоспособных в условиях глубокого вакуума и широкого диапазона температур, что востребовано в реактивной и космической технике. Благодаря лёгкой ионизации рубидий рассматривается как рабочее тело для ионных двигателей, хотя в этой роли ему уступает по эффективности цезий и ксенон.

Стандарты частоты и магнитометрия

Пары рубидия используют в разрядных электрических трубках и лампах низкого давления в качестве источников резонансного излучения. Рубидиевый стандарт частоты (рубидиевые атомные часы) — один из наиболее распространённых типов атомных осцилляторов. Он обеспечивает высокую стабильность частоты и применяется в телекоммуникациях, навигации и метрологии. Рубидий также используется в чувствительных магнитометрах — приборах для измерения слабых магнитных полей.

Катализ в химической промышленности

Металлический рубидий, нанесённый на носители (активная окись алюминия, силикагель), применяется как катализатор ряда процессов органического синтеза. В частности, рубидий облегчает гидрогенизацию бензола с образованием циклогексана: процесс идёт при значительно более низких температурах и давлениях, чем при использовании натриевых или калиевых катализаторов. Соединения рубидия также применяются как катализаторы в реакциях полимеризации.

Специальная оптика и керамика

Соединения рубидия являются компонентами специальных стёкол и керамики с заданными оптическими или электрическими свойствами. Однозамещённые фосфаты и арсенаты рубидия могут быть получены в виде пьезоэлектрических кристаллов, пригодных для использования в датчиках и преобразователях.

Топливные элементы и энергетика

Металлический рубидий применяется в гидридных топливных элементах. Сплавы рубидия с цезием рассматриваются как перспективный высокотемпературный теплоноситель и рабочая среда для турбоагрегатов с повышенным КПД. Хлорид рубидия используется в качестве электролита в некоторых типах химических источников тока.

Медицина и научные исследования

Соединения рубидия обладают нормотимическими свойствами и изучаются в экспериментальной медицине для лечения ряда заболеваний нервной системы. В рентгеновской технике соединения рубидия применяют для повышения адсорбции рентгеновских лучей экранами из сульфида цинка (ZnS).

Изотоп ⁸⁶Rb используется в гамма-дефектоскопии, измерительной технике, а также при стерилизации лекарственных препаратов и пищевых продуктов. В 1995 году изотоп ⁸⁷Rb был использован для получения конденсата Бозе — Эйнштейна, за что в 2001 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Формы поставки металлического рубидия

Металлический рубидий поставляется потребителям в следующих формах:

• В запаянных ампулах из боросиликатного стекла (стекло типа «Пирекс») массой от нескольких миллиграммов до 200 граммов. Ампулы герметизируются в вакууме или в атмосфере аргона.
• В стальных герметичных контейнерах из нержавеющей стали в среде аргона — для крупных партий (до 10 кг и более).

Малые навески (от 1 до 200 мг) для аналитических и исследовательских целей поставляются в капиллярных стеклянных ампулах.

Условия хранения и транспортировки рубидия

Из-за чрезвычайно высокой реакционной способности рубидий требует строгого соблюдения условий хранения. Металл хранят в ампулах из боросиликатного стекла в атмосфере аргона или в стальных герметичных сосудах под слоем обезвоженного вазелинового или парафинового масла. При временном хранении в процессе производственных операций рубидий помещают под слой высушенного минерального (например, трансформаторного) масла.

Контакт металлического рубидия с воздухом недопустим — происходит мгновенное воспламенение. Контакт с водой вызывает взрыв. При нагревании выше 300 °C рубидий разрушает обычное стекло, поэтому для длительного хранения используется только боросиликатное стекло с повышенной химической стойкостью.

Транспортировка рубидия осуществляется в герметичной таре, исключающей контакт с атмосферной влагой и кислородом. Металл относится ко II классу опасности (высокоопасные вещества). При работе с рубидием обязательно применение индивидуальных средств защиты: очков, перчаток, защитной одежды. Вскрытие ампул производится в инертной атмосфере или в сухом боксе.

Соединения рубидия

Рубидий образует широкий спектр неорганических соединений. Для промышленного потребителя представляют интерес следующие основные группы:

Гидроксид рубидия применяется для приготовления электролита для низкотемпературных химических источников тока, а также как добавка к раствору гидроксида калия для улучшения работоспособности при низких температурах и повышения электропроводности. Иодид рубидия-серебра RbAg₄I₅ обладает рекордной ионной проводимостью при комнатной температуре среди всех известных ионных кристаллов.

Сравнение рубидия с другими щелочными металлами

Рубидий занимает промежуточное положение между калием и цезием по всем основным физическим и химическим характеристикам. В ряде применений (атомные часы, ионные двигатели) он конкурирует с цезием, уступая последнему по отдельным параметрам, но имея более доступную сырьевую базу.

Техника безопасности при работе с рубидием

Металлический рубидий относится ко II классу опасности. При обращении с ним необходимо учитывать следующие факторы:

• Самовоспламенение на воздухе — работа только в атмосфере аргона или в сухом боксе.
• Взрывная реакция с водой — исключить любой контакт с влагой, включая атмосферную.
• Разрушение обычного стекла при нагревании — использовать только боросиликатное стекло или стальные контейнеры.
• Щелочные ожоги — RbOH, образующийся при контакте с влагой кожи, вызывает глубокие химические ожоги.
• Обязательно использование защитных очков, перчаток, огнестойкой одежды.
• В случае возгорания рубидия тушить водой категорически запрещено. Применяют сухой песок, графитовый порошок или специальные порошковые огнетушители класса D.