Общие сведения и методы получения

Рубидий (Rb) Д серебристо-белый металл. Относится к группе щелочных; его ближайшие аналоги Д цезий, калий, натрий. Распространенность в земной коре 1,5*10^-2 % (по массе). Элемент получил название от латинского rubidus по цвету спектральных линий (красный, темно-красный), обнаруженных в 1861 г. Бунзеном и Киргофом при исследовании щелочных металлов. Рубидий не образует собственных минералов и является типичным рассеянным элементом. Как изоморфная примесь входит в минералы калия и цезия (сильвинит, карналлит, микроклин, биотит, пусковит н др.). Концентрация рубидия в указанных минералах 0,02Д0,09 %. Во многих горных породах отношение К: Rb равно ~90. Соли рубидия растворены в морской воде и в воде минеральных источников. Извлечение рубидия из различных минералов и руд представляет значительные трудности. Соли рубидия получают как побочные продукты при производстве солей лития, магния и калия. В промышленности металлический рубидий получают в основном вакуумно-термическим восстановлением, воздействуя, например, на RbCl кальцием или магнием при 600Д700 °С в вакууме. Можно также получать металлический рубидий и электрохимическим способом, подвергая электролизу его расплавленные галогенидные соединения. При этом на жидком свинцовом катоде получают свинцоворубидиевый сплав, из которого металлический рубидий выделяют диссоциацией в вакууме. Небольшое количество рубидия высокой чистоты можно получить путем термического разложения азида при нагреве до 390Д 395 °С в вакууме. В нашей стране рубидий в ампулах производят в соответствии с ТУ 48-05-25Д70, содержание основного элемента не ниже 99,9 %, а содержание примесей остальных щелочных металлов в сумме не должно быть более 0,1 %. Известны три марки металлического рубидия Повышенной чистоты:

Марка	Rb, %. не менее	Примени, %, не более
		Na+K	Cs	Na+K+Cs	Fe
А Б В	99,99 99,99 99,0	0 0 0,08	0 0 0,9	0,009 0,08 0	0,00005 0,015 0,015

Физические свойства

Атомные характеристики. Атомный номер 37, атомная масса 85,47 а. е. м., атомный объем 55,48*10^-6 м³/моль. Атомный радиус (металлический) 0,253 нм, ионный радиус Rb⁺ 0,149 нм, ковалентный 0,216 нм. Элемент состоит из стабильного изотопа ⁸⁵Rb (72,15 %) и слабо радиоактивного изотопа ⁸⁷Rb (27,85 %), испускающего электроны с периодом полураспада 5*10¹⁰ лет. Кроме того, искусственным путем получено свыше 20 малоустойчивых изотопов рубидия с атомной массой от 81 до 92. Изотопы с атомной массой менее 85 испускают позитроны (β⁺-лучи). Так, период полураспада изотопа ^8lRb, ⁸²Rb, ⁸³Rb соответственно равен 4,7; 6,3 ч и 83 дням. Изотопы с атомной массой выше 85 испускают электроны (β^--лучи), период полураспада этих изотопов составляет несколько минут и даже секунд. Рубидий кристаллизуется в о. ц. к. структуру, при комнатной температуре период решетки а =0,570 нм. Энергия кристаллической решетки 86 мкДж/к моль. Потенциалы ионизации атома рубидия (эВ): 4,176; 27,56; 40 эВ. Радиус иона Rb+ 0,149 нм. Электроотрицательность 0,8, Работа выхода электронов ф =2,16 эВ. Плотность. При комнатной температуре плотность рубидия р равна 1,532 Мг/м³.

Изменение плотности рубидия в зависимости от температуры:

 

Т, К	р, Мг/м3	Т, К	р, Мг/м3	Т, К	р, Мг/м3
300 312,65 (тв) 312,65 (ж) 350	1,5137 1,5087 1,4718 1,4547	400 450 500 550	1,417 1,4087 1,3857 1,3627	600 650 700 750	1,3397 1,3167 1,2937 1,2707

При плавлении плотность рубидия снижается на 2,5 %.

Электрические и магнитные. Удельная электрическая проводимость рубидии в зависимости от температуры:

Т, К	113	273	298
σ, МОм/м	40	8,65	7,9

 

Удельное электрическое сопротивление рубидия р в зависимости от температуры:

Т, К	р, мкОм*м	Т, К	р, мкОм*м	Т, К	р, мкОм*м
273,15 300 312,65 (тв) 312,65 (ж)	0,1125 0,1281 0,1351 0,2153	350 400 450	0,2476 0,2906 0,3345	500 550 600	0,3796 0,4261 0,4762

Температурный коэффициент электрического сопротивления рубидия в интервале температур 273Д293 К а =4,7*10^-3 К^-1. При плавлении электросопротивление рубидия возрастает в 1,6 раза. В термопаре рубидий Д платина рубидий проявляет отрицательную валентность по отношению к платине при температуре горячего спая 173,16 К. В этом случае Ф=+0,460 мВ. Абсолютный коэффициент т.э.д.с. Е= Д8,26 мкВ/К. Максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии рубидия σ _макс = 0,9 при ускоряющем напряжении первичных электронов 0,35 кэВ. Постоянная Холла при комнатной температуре R = Д5,9*10^-10 м³/Кл. Рубидий Д парамагнитный металл, его магнитная восприимчивость Х= +0,198* 10^-9 в интервале 303Д373 К.

Тепловые и термодинамические. Температура плавления 39,49°С, температура кипения 686,04°С, характеристическая температура 55K. Удельная теплота плавления 27,42 кДж/кг, удельная теплота сублимации, отнесенная к 298 К, 930 кДж/кг. При плавлении происходит увеличение объема на ΔV=22,58*10^-6 м³/кг или ΔV=Vo= 0,0274. При повышении давления возрастает температура плавления рубидия, достигая 284 °С при 8 ГПа; dT/dP изменяется в функции давления. При приложении давления 3,5 ГПа dT/dP равно 210 К/ГПа, а затем резко снижается н при 8 ГПа составляет всего 1 К/ГПа. Удельная теплоемкость Ср рубидия для интервала температур 298ДТпл в среднем Ср=367,3 Дж/(кг*К). Зависимость удельной теплоемкости рубидия от температуры:

Т, К	Ср, Дж/(кг*К)	Т, К	Ср, Дж/(кг*К)	Т, К	Ср, Дж/(кг*К)
273,15	345,3	312,65 (тв)	379,1	400	374,6
298,15	363,9	312,65 (ж)	379,1	450	371,8
300	365,4	350	377,6	500	368,8
				550	365,4

Электронная теплоемкость рубидия Ср^эл = [2,52 МДж/(моль*К²)] *Т.

Теплопроводность рубидия λ в зависимости от температуры:

Т, К	7,5	20	293	323	493
λ, Вт/(м*Л)	400	150	35,6	31,41	34,35

 

Температурный коэффициент линейного расширения α у рубидия в интервале температур 273Д303 равен 90*10^-6 К^-1. Молярная энтропия s° рубидия в зависимости от температуры изменяется следующим образом:

Т, К	298	500	1000	1500	2000
s°, Дж/(моль*К)	76,3	100,0	195,2	203,7	209,7

 

Приведенный термодинамический потенциал Фт рубидия в зависимости от температуры:

Т, К	298	500	1000	1500	2000
Фт,Дж/(моль*К)	76,3	82,7	98,6	132,4	150,9

Изменение давления пара р упругости рубидия в зависимости от температуры:

Т, К	400	600	800	1000	1300
р, Па	16,38*10-2	3,55*102	15,3*103	14,2*104	11,05*105

Давление пара рубидия при температуре плавления (312,65 К) равно 15,7*10^-5 Па.

Поверхностное натяжение σ жидкого рубидия в зависимости от температуры:

Т, К	σ, мН/м	Т, К	σ, мН/м	Т, К	σ, мН/м
313 350 400 450	92,63 90,4 87,5 84,5	500 550 600 650	81,6 78,6 75,7 72,7	700 750 800 850 900	69,8 66,8 63,9 60,9 58,0

Поверхностная энергия кристаллического рубидия для грани (110) v=75 мДж/м².

Динамическая вязкость η рубидия в зависимости от температуры:

Т, К	η, мПа*с	Т, К	η, мПа*с	Т, К	η, мПа*с
312,65	6,43	500	3,23	700	2,18
350	5,35	550	2,87	750	2,02
400	4,37	600	2,58	800	1,89
450	3,70	650	2,36	850	1,78
				900	1,69

Кинематическая вязкость v рубидия в зависимости от температуры:

Т, К	V*108, м2/с	Г, К	V*108, м2/с	Г. К	V*108, м2/с
312,65	43,68	500	23,28	700	16,83
З50	36,75	550	21,02	750	15,93
400	30,51	600	19,27	800	15,18
				850	14,56
450	26,29	650	17,93	900	1,69

Сжимаемость рубидия х = 40,5*10^-11 Па^-1.

Оптические.

Отражательная способность (коэффициент отражения n_D) рубидия в зависимости от длины волны λ:

λ, мкм	nD, %	λ, мкм	nD, %	λ, мкм	nD, %
0,313	0,067	0,70	0,928	1,50	0,979
0,366	0,240	0,80	0,942	2,00	0,983
0,435	0,724	0,90	0,955	2,40	0,983
0,600	0,879	1,00	0,962

Показатель преломления n в зависимости от длины волны:

λ, мкм	n	λ, мкм	n	λ, мкм	n
0,1165	1,041	0,2750	0,790	0,80	0,087
0,1280	1,02	0,3434	0,465	0,90	0,086
0,1462	0,997	0,3800	0,216	1,5	0,091
0,1636	0,980	0,435	0,114	1,0	0,111
0,1875	0,962	0,60	0,096	2,0	0,157
0,2214	0,928	0,70	0,081	2,4	0,224

   

Показатель поглощения χ в зависимости от длины волны λ:

λ, мкм	χ	λ, мкм	χ	λ, мкм	χ
0,1165	0,027	0,2750	0,075	0,80	2,195
0,1280	0,035	0,3434	0,136	0,90	2,548
0,1462	0,050	0,3800	0,346	1,5	2,886
0,1636	0,065	0,435	0,646	1,0	4,503
0,1875	0,081	0,60	1,404	2,0	6,034
0,2214	0,073	0,70	1,818	2,4	7,232

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции RbДe=Rb⁺ при 298 К (25 °С), φo= Д2,925 В. Рубидий, как и остальные щелочные металлы, во всех соединениях проявляет степень окисления +1 и является одним из наиболее электроположительных элементов. Рубидий отличается более высокой реакционной способностью, чем литий, натрий и калий; на воздухе металл мгновенно окисляется с воспламенением. В ряду напряжений рубидий стоит далеко впереди водорода и вытесняет его из воды, образуя при этом сильное основание RbOH. При пропускании сухого водорода над слегка нагретым рубидием образуется гидрид рубидия RbH с кристаллической решеткой типа NaCl, имеющий период а=0,6037 нм; рентгеновская плотность р =2,59 Мг/м³; теплота образования этого соединения =54,98 кДж/моль. При сгорании рубидия в токе воздуха образуется соединение RbO₂ Д супероксид рубидия; теплота образования 28,47 кДж/моль, кристаллическая решетка типа СаС₂. Оксид рубидия Rb₂O может быть получен при термическом распаде супероксида по схеме RbO₂BRb₂O₂BRb₂O, который начинается при нагреве RbO₂ до температур, превышающих 397 °С. Rb₂O имеет кристаллическую решетку типа CaF₂, период а =0,674 нм, рентгеновская плотность 4,05 Мг/м³. Гидроксид рубидия RbOH можно получить при взаимодействии Rb₂O с Н₂ при слабом нагревании, он хорошо растворим в воде и спирте. Плавится при 574 К (301 °С), кристаллизуется в решетку типа NaCl с периодом а=0,697 нм. Теплота образовании RbOH 105,85 кДж/моль, плотность 3,2 Мг/м³. Хлорид рубидия RbCl получают взаимодействием карбонатов с соляной кислотой, хорошо растворим в воде.

Карбид рубидия Rb₂C₂ может быть получен при взаимодействии рубидия с ацетиленом по реакции 2Rb+2H₂C₂=2RbHC₂+H₂. Кислый ацетилид рубидия при слабом нагреве распадается на карбид и ацетилен. Карбид рубидия обладает высокой химической активностью, самовоспламеняется в среде СО₂ и SiO₂. При взаимодействии карбида рубидия с водой происходит взрыв, причем металл сгорает, а углерод выделяется в виде угля. Нитрид рубидия Rb₃N может быть получен при взаимодействии паров рубидия с азотом. Это соединение крайне неустойчиво и от малейшего сотрясения может взорваться. Азид рубидия RbN₃ можно получить по схеме: Rb₂CO₃+2HN₃ = 2RbN₃+CO₂+H₂O. Азид рубидия хорошо растворяется в воде. Известен сульфид рубидия Rb₂S, теплота образования которого составляет 600,38 кДж/моль. Rb₂S имеет кристаллическую решетку типа CaF₂ о периодом а =0,765 нм. С переходными и тугоплавкими металлами рубидий не взаимодействует и металлических соединений не образует. Со своими аналогами, в частности калием, рубидий образует непрерывные твердые растворы, а с иатрием и цезием Д эвтектические смеси. Металлические соединения рубидия обнаружены в системах CdДRb, HgДRb, AuДRu н др. (например, RbCd₁₃, Rb₃Hg₄, RbHg₂, RbHg₉). Соединение Au₂Rb (аурид рубидия), можно синтезировать в токе аргона при 200Д225 ⁰С.

Области применения

Металлический рубидий применяют в гидридных топливных элементах. Он входит в состав металлических теплоносителей для ядерных реакторов, используется для изготовления высокоэффективных фотоэлектронных умножителей, в вакуумных радиолампах Д в качестве геттера и для создания положительных ионов на нитях накала. Рубидий входит в состав смазочных материалов, применяемых в реактивной и космической технике. Смесь хлоридов рубидия и меди используют при изготовлении термометров для измерения высоких температур (380Д390 °С). Лампы низкого давления с парами рубидия служат источниками резонансного излучения; пары рубидия также используют в лазерах в чувствительных магнитометрах, необходимых при космических и геофизических исследованиях.