루비듐 : 역사, 속성, 구조, 획득, 사용 - 화학

루비듐은 알칼리 금속, 화학 Rb는 기호로 표시되고 : 주기율표의 1 족에 속하는 금속 원소이다. 그 이름은 루비와 비슷하게 들리고, 발견되었을 때 그것의 방출 스펙트럼이 진한 붉은 색의 특징적인 선을 보였기 때문입니다.

존재하는 가장 반응성이 높은 금속 중 하나입니다. 밀도가 높지는 않지만 물에 가라 앉는 알칼리 금속 중 최초입니다. 또한 리튬, 나트륨 및 칼륨에 비해 더 폭발적으로 반응합니다. 물집이 저장된 곳에서 터져 (하단 이미지) 욕조에서 떨어지고 폭발하는 실험이있었습니다.

루비듐 1g을 불활성 분위기에서 보관 한 앰플. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

루비듐은 금보다 더 비싼 금속으로 구별됩니다. 희소성 때문이 아니라 지각의 광물 학적 분포가 넓고 칼륨과 세슘 화합물에서 분리 할 때 발생하는 어려움 때문입니다.

그것은 불순물로 발견되는 미네랄에서 칼륨과 결합하는 명확한 경향을 보여줍니다. 지구 화학적 문제뿐만 아니라 칼륨과 함께 듀오를 형성 할뿐만 아니라 생화학 분야에서도 마찬가지입니다.

유기체 는 Rb ⁺ 의 K ⁺ 이온 을 "실수"합니다 . 그러나 루비듐은 신진 대사에서 그 역할이 알려지지 않았기 때문에 현재까지 필수적인 요소는 아닙니다. 그럼에도 불구하고 루비듐 보충제는 우울증 및 간질과 같은 특정 의학적 상태를 완화하는 데 사용되었습니다. 반면에 두 이온은 라이터의 열에서 보라색 불꽃을 발산합니다.

높은 비용으로 인해 촉매 또는 재료의 합성에 너무 많이 기반을 두지 않고 이론적 물리적 기반을 가진 다양한 장치의 구성 요소로 응용됩니다. 그중 하나는 원자 시계, 태양 전지 및 자력계입니다. 이것이 루비듐이 때때로 과소 평가되거나 연구되지 않은 금속으로 간주되는 이유입니다.

역사

루비듐은 1861 년 독일 화학자 로버트 분젠과 구스타프 키르히 호프가 분광법을 사용하여 발견했습니다. 이를 위해 2 년 전에 발명 된 분젠 버너와 분광기와 분석 침전 기술을 사용했습니다. 그들의 연구 대상은 독일 작센에서 채취 한 미네랄 레피도 라이트였다.

그들은 150kg의 레피도 라이트 광물로 시작하여 염화 백금산 인 H ₂ PtCl _6으로 처리하여 칼륨 헥사 클로로 백금산 K ₂ PtCl ₆ 을 침전 시켰다. 그러나 분젠 버너에서 소각하여 스펙트럼을 조사했을 때 당시 다른 원소와 일치하지 않는 방출 선이 나타나는 것을 깨달았습니다.

이 새로운 요소의 방출 스펙트럼은 빨간색 영역에 두 개의 잘 정의 된 선이있는 것이 특징입니다. 그래서 그들은 '진한 빨간색'을 의미하는 'rubidus'라는 이름으로 세례를 받았습니다. 나중에, 분젠 및 Rb는 키르히 호프를 분리하는데 성공 ₂ PTCL ₆ K에서 ₂ PTCL ₆ 분별 결정화하는 단계; 최종적으로 수소를 사용하여 염화물 염으로 환원합니다.

새로운 원소 루비듐의 염을 확인하고 분리하는 독일 화학자들은 그것을 금속 상태로 낮추기 만하면되었습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 두 가지 방법으로 시도했습니다. 염화 루비듐에 전기 분해를 적용하거나 주석 산염과 같이 더 쉽게 환원 할 수있는 소금을 가열하는 것입니다. 따라서 금속 루비듐이 탄생했습니다.

물리 화학적 특성

외관

부드러운 은회색 금속. 너무 부드러워서 버터처럼 보입니다. 일반적으로 유리 앰플에 포장되어 내부에 불활성 대기가 우세하여 공기와 반응하지 않도록 보호합니다.

원자 번호 (Z)

몰 질량

85.4678g / 몰

녹는 점

39ºC

비점

688ºC

밀도

실온에서 : 1.532g / cm ³

녹는 점 : 1.46g / cm ³

루비듐의 밀도는 물의 밀도보다 높기 때문에 격렬하게 반응하면서 가라 앉습니다.

융합 열

2.19 kJ / 몰

기화열

69 kJ / 몰

전기 음성도

폴링 척도 0.82

전자 친화력

46.9 kJ / 몰

이온화 에너지

-첫 번째 : 403 kJ / mol (Rb ⁺ 기체)

-초 : 2632.1 kJ / mol (Rb ²⁺ 기체)

-3 차 : 3859.4 kJ / mol (Rb ³⁺ 기체)

원자 라디오

오후 248시 (실증적)

열 전도성

58.2W / (m · K)

전기 저항

20 ° C에서 128nΩ m

모스 경도

0.3. 따라서 활석조차도 금속 루비듐보다 단단합니다.

반동

루비듐에 대한 화염 테스트. 반응하면 보라색 불꽃이납니다. 출처 : Didaktische. Medien

루비듐은 세슘과 프랑슘 다음으로 가장 반응성이 높은 알칼리 금속 중 하나입니다. 공기에 노출 되 자마자 타기 시작하고 부딪히면 빛의 불꽃을 뿜어냅니다. 가열되면 보라색 불꽃 (상단 이미지)도 방출되며 이는 Rb ⁺ 이온에 대한 양성 테스트입니다 .

산소와 반응하여 과산화물 (Rb ₂ O ₂ )과 과산화물 (RbO ₂ ) 의 혼합물을 형성합니다 . 산 및 염기와 반응하지 않지만 물과 격렬하게 반응하여 수산화 루비듐과 수소 가스를 생성합니다.

Rb (s) + H ₂ O (l) => RbOH (aq) + H ₂ (g)

수소와 반응하여 해당 수 소화물을 형성합니다.

Rb (s) + H ₂ (g) => 2RbH (s)

또한 할로겐과 황은 폭발적으로 :

2Rb (s) + Cl ₂ (g) => RbCl (s)

2Rb (s) + S (l) => Rb ₂ S (s)

루비듐은 독성 요소로 간주되지 않지만 잠재적으로 위험하며 물과 산소와 접촉하면 화재 위험이 있습니다.

구조 및 전자 구성

루비듐 원자는 몸을 중심으로 한 입방체 구조 (bcc, 영어 몸 중심 입방체로 약어)를 갖는 결정을 형성하도록 정돈 된 방식으로 배열됩니다. 이 구조는 가볍고 물에 떠 다니는 경향이있는 알칼리 금속의 특징입니다. 루비듐 다운 (세슘과 프랑슘) 제외.

루비듐 bcc 결정에서 Rb 원자는 금속 결합 덕분에 서로 상호 작용합니다. 이것은 전자 구성에 따라 5s 궤도에서 원자가 껍질의 "전자 바다"에 의해 제어됩니다.

5 초 ¹

단일 전자를 가진 모든 5s 궤도는 금속 루비듐 결정의 모든 차원에서 겹칩니다. 그러나 이러한 상호 작용은 약합니다. 알칼리 금속 그룹을 통해 하강함에 따라 궤도가 더 확산되어 금속 결합이 약해지기 때문입니다.

그래서 루비듐의 녹는 점은 39ºC입니다. 마찬가지로 약한 금속 결합은 고체의 부드러움을 설명합니다. 너무 부드러워서 은색 버터처럼 보입니다.

고압에서 결정의 거동에 관한 서지 정보가 충분하지 않습니다. 나트륨과 같은 고유 한 특성을 가진 더 조밀 한 단계가있는 경우.

산화 번호

그것의 전자적 구성은 루비듐이 단일 전자를 잃는 경향이 강하게 나타나 고귀한 기체 크립톤에 등 전자가되는 경향이 있음을 나타냅니다. 그럴 때 1가 양이온 Rb ^{+가 형성} 됩니다. 그런 다음이 양이온의 존재를 가정하면 화합물에서 산화 번호가 +1이라고합니다.

루비듐이 산화되는 경향으로 인해 Rb ⁺ 이온이 화합물에 존재한다는 가정 이 정확하며 이는 차례로 이러한 화합물의 이온 특성을 나타냅니다.

거의 모든 루비듐 화합물에서 그것은 +1의 산화수를 나타냅니다. 그 예는 다음과 같습니다.

-Rubidium 클로라이드, RbCl RB ( ⁺ CL ^- )

-Rubidium 수산화 RbOH RB ( ⁺ OH ^- )

-루비듐 탄산염, Rb ₂ CO ₃ (Rb ₂⁺ CO ₃^2- )

-일산화 루비듐, Rb ₂ O (Rb ₂⁺ O ^2- )

-Rubidium 과산화물, RBO ₂ RB ( ⁺ O ₂^- )

매우 드물지만, 루비듐은 또한 음의 산화수를 할 수 : -1 (Rb는을 ^- ). 이 경우, 전기 음성이 낮은 원소를 가진 화합물을 형성했거나 특수하고 엄격한 조건에서 처리 된 경우 "루비 다 이드"라고 말할 수 있습니다.

클러스터

개별적으로 각 Rb 원자가 분수 값으로 산화 수를 나타내는 화합물이 있습니다. 예를 들어, Rb ₆ O (Rb ₆²⁺ O ^2- ) 및 Rb ₉ O ₂ (Rb ₉⁴⁺ O ₂^2- )에서 양전하는 Rb 원자 세트 (클러스터) 사이에 분포되어 있습니다. 따라서 Rb ₆ O에서 이론상 산화수는 +1/3이됩니다. Rb ₉ O ₂ , + 0.444 (4/9)에서.

Rb9O2의 클러스터 구조. 출처 : Axiosaurus

위는 구와 막대 모델로 표현 된 Rb ₉ O ₂ 의 클러스터 구조입니다 . 9 개의 Rb 원자가 어떻게 O ^2- 음이온을 "포괄"하는지 주목하십시오 .

용출을 통해 원래 금속 루비듐 결정의 일부가 모 결정과 분리되어있는 동안 변경되지 않은 것처럼 보입니다. 그들은 그 과정에서 전자를 잃습니다. O ^2- 를 끌어 당기는 데 필요한 것 , 그리고 생성 된 양전하는 상기 클러스터의 모든 원자 (Rb 원자의 집합 또는 집합체) 사이에 분포된다.

따라서 이러한 루비듐 클러스터에서 Rb ⁺ 의 존재는 공식적으로 가정 할 수 없습니다 . Rb ₆ O 및 Rb ₉ O _2는 루비듐 아산화물로 분류되며, 여기서 산화물 음이온과 관련하여 과량의 금속 원자를 갖는 명백한 이상이 충족됩니다.

찾아서 얻을 수있는 곳

지각

Lepidolite 미네랄 샘플. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

루비듐은 지각에서 23 번째로 가장 풍부한 원소로, 아연, 납, 세슘, 구리와 비슷한 양을 가지고 있습니다. 세부 사항은 이온이 널리 확산되어 주요 금속 원소 인 광물이 우세하지 않으며 광석도 부족하다는 것입니다.

루비듐은 광석에서 얻는 과정이 착취의 어려움으로 인해 복잡하기 때문에 금 자체보다 훨씬 더 비싼 금속입니다.

자연적으로 반응성을 고려할 때 루비듐은 본래 상태에서 발견되지 않고 산화물 (Rb ₂ O), 염화물 (RbCl) 또는 기타 음이온과 함께 발견됩니다. 그것의 "자유"Rb ⁺ 이온 은 125 µg / L 농도의 바다와 온천과 강에서 발견됩니다.

1 % 미만의 농도로 함유하고있는 지각의 미네랄 중 우리는 다음을 가지고 있습니다.

-Leucita, K

-Polucite, Cs (Si ₂ Al) O ₆ nH ₂ O

-카르 날 라이트, KMgCl ₃ · 6H ₂ O

-Zinnwaldite, KLiFeAl (AlSi ₃ ) O ₁₀ (OH, F) ₂

-Amazonite, Pb, KAlSi ₃ O ₈

-Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

-Biotite, K (Mg, Fe) ₃ AlSi ₃ O ₁₀ (OH, F) ₂

-루비 클린, (Rb, K) AlSi ₃ O ₈

-Lepidolite, K (Li, Al) ₃ (Si, Al) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

지구 화학 협회

이 모든 미네랄은 공통적으로 하나 또는 두 가지를 공유합니다. 칼륨, 세슘 또는 리튬의 규산염이거나 이러한 금속의 미네랄 염입니다.

이것은 루비듐이 칼륨 및 세슘과 결합하는 강한 경향이 있음을 의미합니다. 마그마가 결정화 될 때 페그마타이트 퇴적물에서 발생하는 것처럼 광물이나 암석의 결정화 중에 칼륨을 대체 할 수도 있습니다. 따라서 루비듐은 이러한 암석과 광물을 개발하고 정제하는 과정에서 발생하는 부산물입니다.

루비듐은 화강암, 점토 및 현무암과 같은 일반적인 암석과 석탄기 퇴적물에서도 발견 될 수 있습니다. 모든 천연 자원 중에서 lepidolite는 주요 광석을 나타내며 상업적으로 이용됩니다.

반면 카르 날 라이트에서 루비듐은 0.035 % 함량의 RbCl 불순물로 발견 될 수 있습니다. 그리고 더 높은 농도에서는 최대 17 %의 루비듐을 함유 할 수있는 엽석 및 루비 클린 침전물이 있습니다.

칼륨과의 지구 화학적 연관성은 이온 반경의 유사성 때문입니다. Rb ⁺ 는 K ⁺ 보다 크지 만 크기의 차이는 전자가 광물 결정에서 후자를 대체 할 수있는 데 장애가되지 않습니다.

분수 결정화

lepidolite 또는 polucite로 시작하든, 또는 위에서 언급 한 미네랄로 시작하든, 도전은 더 크든 작든 동일하게 유지됩니다. 루비듐을 칼륨과 세슘에서 분리하십시오. 즉, 한편으로는 루비듐 화합물 또는 염을, 다른 한편으로는 칼륨 및 세슘 염을 갖는 혼합물 분리 기술을 적용한다.

이러한 이온 (K ⁺ , Rb ⁺ 및 Cs ⁺ )이 큰 화학적 유사성을 공유 하기 때문에 이것은 어렵습니다 . 그들은 같은 방식으로 반응하여 동일한 염을 형성하며 밀도와 용해도 덕분에 서로 거의 다르지 않습니다. 그렇기 때문에 분별 결정화가 사용되어 천천히 제어 된 방식으로 결정화 될 수 있습니다.

예를 들어,이 기술은 이러한 금속에서 탄산염과 명반의 혼합물을 분리하는 데 사용됩니다. 순도를 높이고 공침 이온이없는 결정을 보장하려면 재결정 과정을 여러 번 반복해야합니다. 표면 또는 내부에 K ⁺ 또는 Cs ⁺ 이온 으로 결정화되는 루비듐 염 .

이온 교환 수지 또는 크라운 에테르를 착화 제로 사용하는 것과 같은보다 현대적인 기술은 또한 Rb ⁺ 이온을 분리 할 수있게합니다 .

전기 분해 또는 환원

루비듐 염이 분리되고 정제되면 다음과 마지막 단계는 Rb ⁺ 양이온 을 고체 금속 으로 환원하는 것 입니다. 이를 위해 소금을 녹여 전기 분해하여 루비듐이 음극에 침전되도록합니다. 또는 칼슘 및 나트륨과 같은 강력한 환원제가 사용되어 빠르게 전자를 잃어 루비듐을 감소시킬 수 있습니다.

동위 원소

: 루비듐 두 자연 동위 원소로 지구에서 발견 된 ⁸⁵ RB 형 ⁸⁷ Rb는. 첫 번째는 72.17 %, 두 번째는 27.83 %입니다.

⁸⁷ Rb는 방사성이되는 금속을 담당; 그러나 방사능은 무해하며 연대 분석에 유용합니다. 반감기 (t _1/2 )는 4.9 · 10 ¹⁰ 년이며 그 기간은 우주의 나이를 초과합니다. 붕괴하면 안정 동위 원소가된다 ⁸⁷ Mr.

덕분에이 동위 원소는 지구가 시작된 이래로 존재하는 지구 광물과 암석의 연대를 측정하는 데 사용되었습니다.

⁸⁵ Rb 및 ⁸⁷ Rb 동위 원소 외에도 가변적이고 훨씬 짧은 수명을 가진 다른 합성 및 방사성 동위 원소 가 있습니다. 상기 예 ⁸² Rb는 (t _1/2 = 76초) ⁸³ Rb는 (t _1/2 = 86.2 일) ⁸⁴ Rb는 (t _1/2 = 32.9 일) 및 ⁸⁶ Rb는 (t _{1 / 2} = 18.7 일). 그중 ⁸² Rb는 의학 연구에서 가장 많이 사용됩니다.

위험

금속

루비듐은 반응성 금속이기 때문에 공기 중의 산소와 반응하지 않도록 불활성 분위기에서 유리 앰플에 보관해야합니다. 물집이 부서지면 금속을 등유 나 미네랄 오일에 넣어 보호 할 수 있습니다. 그러나 용해 된 산소에 의해 산화되어 과산화 루비듐이 생성됩니다.

반대로 나무 위에 놓기로 결정하면 예를 들어 보라색 불꽃으로 타 오릅니다. 습기가 많으면 공기에 노출되는 것만으로도 타 버립니다. 큰 덩어리의 루비듐이 물에 던져지면 격렬하게 폭발하여 생성 된 수소 가스를 발화시킵니다.

따라서 루비듐은 거의 모든 반응이 폭발적이기 때문에 모든 사람이 다룰 수없는 금속입니다.

이온

금속 루비듐과 달리 Rb ⁺ 이온 은 생물에 명백한 위험을 초래하지 않습니다. 물에 용해 된 이들은 K ⁺ 이온과 같은 방식으로 세포와 상호 작용 합니다.

따라서 루비듐과 칼륨은 비슷한 생화학 적 행동을 보입니다. 그러나 루비듐은 필수 요소가 아니지만 칼륨은 필수 요소입니다. 이러한 방식으로 상당한 양의 Rb ⁺ 가 동물의 유기체에 부정적인 영향을 미치지 않고 세포, 적혈구 및 내장 내부에 축적 될 수 있습니다.

실제로 80kg의 성인 남성은 약 37mg의 루비듐을 함유하고있는 것으로 추정되었습니다. 또한이 농도가 약 50 ~ 100 배 증가해도 바람직하지 않은 증상이 나타나지 않습니다.

그러나 과도한 Rb ⁺ 이온 은 결국 K ⁺ 이온을 대체 할 수 있습니다 . 결과적으로 개인은 죽을 때까지 매우 강한 근육 경련을 겪을 것입니다.

당연히 루비듐 염이나 용해성 화합물은이를 즉시 유발할 수 있으므로 어느 것도 섭취해서는 안됩니다. 또한 간단한 접촉으로 화상을 입을 수 있으며 가장 독성이 강한 것 중에는 루비듐의 불소 (RbF), 수산화물 (RbOH) 및 시안화물 (RbCN)이 있습니다.

응용

가스 수집기

루비듐은 진공 밀봉 튜브에있을 수있는 미량의 가스를 포착하거나 제거하는 데 사용되었습니다. 산소와 수분을 포획하는 경향이 높기 때문에 표면에서 과산화물로 제거됩니다.

불꽃 쏘아 올리기

루비듐 염이 타면 특유의 적자색 불꽃이납니다. 일부 불꽃 놀이는 구성에 이러한 염이 포함되어있어 이러한 색상으로 폭발합니다.

보충

연구에 따르면이 질병으로 고통받는 개인에서이 성분의 결핍이 확인됨에 따라 염화 루비듐은 우울증과 싸우기 위해 처방되었습니다. 또한 진정제와 간질 치료에도 사용되었습니다.

Bose-Einstein 응축수

^{87 개의} Rb 동위 원소 원자 를 사용하여 첫 번째 Bose-Einstein 축합 물을 생성했습니다. 이 물질의 상태는 절대 영도 (0K)에 아주 가까운 온도의 원자가 그룹화되거나 "응축"되어 마치 하나 인 것처럼 행동하는 것으로 구성됩니다.

따라서 루비 디움은 물리학 분야에서이 승리의 주인공이었고 2001 년에이 작업으로 노벨상을 수상한 사람은 Eric Cornell, Carl Wieman, Wolfgang Ketterle이었습니다.

종양 진단

합성 방사성 동위 원소 ⁸² Rb는 붕괴되어 칼륨이 풍부한 조직에 축적되는 데 사용되는 양전자를 방출합니다. 뇌나 심장에있는 것과 같은 것입니다. 따라서 양전자 방출 단층 촬영을 통해 심장의 기능과 뇌에서 가능한 종양의 존재를 분석하는 데 사용됩니다.

구성 요소

루비듐 이온은 다양한 유형의 재료 또는 혼합물에서 자리를 찾았습니다. 예를 들어, 그의 합금은 금, 세슘, 수은, 나트륨 및 칼륨으로 만들어졌습니다. 녹는 점을 높이기 위해 유리와 세라믹에 첨가되었습니다.

태양 전지에서는 페 로브 스카이 트가 중요한 구성 요소로 추가되었습니다. 마찬가지로 열전 발전기, 우주의 열 전달 물질, 이온 추진 엔진의 연료, 알카라인 배터리 용 전해 매체 및 원자 자력계로의 사용 가능성이 연구되었습니다.

원자 시계

루비듐과 세슘으로 유명한 고정밀 원자 시계가 만들어졌습니다. 예를 들어 스마트 폰 소유자가 도로를 이동하면서 자신의 위치를 알 수있는 GPS 위성에 사용됩니다.

참고 문헌

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루비듐 : 역사, 속성, 구조, 획득, 사용 - 화학 - 2025

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