Rubidyum

Rubidyum, ₃₇Rb

Rubidyum
Telaffuz	/ruːˈbɪdiəm/ ​(roo-BID-ee-əm)
Görünüm	gri beyaz
Standart atom ağırlığı Ar, std(Rb)	7001854678000000000♠85.4678(3)
Periyodik tablodaki Rubidyum
K ↑ Rb ↓ Cs kripton ← rubidyum → stronsiyum
Atom numarası (Z)	37
Grup	grup 1 (alkali metal)
Period	periyot 5
Blok	s-blok
Element kategorisi	Alkali metal
Elektron konfigürasyonu	[Kr] 5s1
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 8, 1
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	312.45 K ​(39.30 °C, ​102.74 °F)
Kaynama noktası	961 K ​(688 °C, ​1270 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	1.532 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	1.46 g/cm3
Üçlü nokta	312.41 K, ​? kPa
Kritik nokta	2093 K, 16 MPa (çıkarımı yapılan)
Isı entalpisi	2.19 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	69 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	31.060 J/(mol·K)
Buhar basıncı P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 434 486 552 641 769 958
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	−1, +1 (a güçlü baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 0.82
İyonlaşma enerjisi	1.: 403 kJ/mol 2.: 2632.1 kJ/mol 3.: 3859.4 kJ/mol
Atom yarıçapı	deneysel: 248 pm
Kovalent yarıçapı	220±9 pm
Van der Waals yarıçapı	303 pm
rubidyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	​hacim merkezli kübik (bcc)
Sesin hızı kalay çubuk	1300 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	90 µm/(m·K) (at r.t.)
Termal iletkenlik	58.2 W/(m·K)
Elektriksel direnç	128 nΩ·m (20 °C)
Manyetik sıralama	paramanyetik
Manyetik alınganlık	+17.0·10−6 cm3/mol (303 K)
Young modülü	2.4 GPa
Bulk modülü	2.5 GPa
Mohs sertliği	0.3
Brinell sertliği	0.216 MPa
CAS Numarası	7440-17-7
Tarihçe
Keşfeden	Robert Bunsen ve Gustav Kirchhoff (1861)
İlk izolasyon	George de Hevesy
rubidyum ana izotopları
İzo­top Bol­luk Half-life (t1/2) Bozunma modu Boz­unma 83Rb syn 86.2 d ε 83Kr γ – 84Rb syn 32.9 d ε 84Kr β+ 84Kr γ – β− 84Sr 85Rb 72.17% kararlı 86Rb syn 18.7 d β− 86Sr γ – 87Rb 27.83% 4.9×1010 y β− 87Sr

Rubidyum, sembolü Rb ve atom numarası 37 olan kimyasal bir elementtir. Rubidyum alkali metal grubunda çok yumuşak, gümüşi beyaz bir metaldir. Rubidyum metali, fiziksel görünüm, yumuşaklık ve iletkenlik bakımından potasyum metali ve sezyum metali ile benzerlik göstermektedir. Rubidyum atmosferik oksijen altında depolanamaz, çünkü yüksek oranda ekzotermik bir reaksiyon meydana gelebilir, hatta bazen metal yakalayıcı yangına neden olabilir.

Rubidyum, gruptaki sudan daha yüksek bir yoğunluğa sahip olan ilk alkali metaldir, bu nedenle gruptaki metallerin aksine batar. Rubidyumun standart atom ağırlığı 85.4678'dir. Dünyada, doğal rubidyum iki izotop içerir: %72, sabit bir izotop ⁸⁵Rb'dir ve %28, 49 milyar yıllık bir yarı ömre sahip, evrenin tahmini yaşının üç katından fazla olan, radyoaktif ⁸⁷Rb'dir.

Alman kimyagerler Robert Bunsen ve Gustav Kirchhoff, 1861'de yeni geliştirilen teknik olan alev spektroskopisi ile rubidyumu keşfettiler. Adı, Latince kelimesi rubidus, yani koyu kırmızı anlamına gelir, emisyon spektrumunun rengi. Rubidyum bileşikleri çeşitli kimyasal ve elektronik uygulamalara sahiptir. Rubidyum metal kolayca buharlaşır ve uygun bir spektral emme aralığına sahiptir, bu da atomların lazerle manipülasyonu için sıkça bir hedef haline getirir. Rubidyum, canlı organizmalar için bilinen bir besin maddesi değildir. Bununla birlikte, rubidyum iyonları potasyum iyonları ile aynı yüke sahiptir ve benzer şekilde hayvan hücreleri tarafından aktif olarak alınır ve tedavi edilir.

Özellikleri

Rubidyum çok yumuşak, sünek, gümüşi beyaz bir metaldir. Kararlı alkali metallerin ikinci elektropozitifidir ve 39.3 °C (102.7 °F) sıcaklıkta erir. Diğer alkali metaller gibi rubidyum metal de su ile şiddetli reaksiyona girer. Potasyum (biraz daha az reaktif) ve sezyum (biraz daha reaktif) ile olduğu gibi, bu reaksiyon genellikle ürettiği hidrojen gazını tutuşturacak kadar kuvvetlidir. Rubidyumun havada kendiliğinden tutuştuğu da bildirilmiştir. Civa ile amalgamlar ve altın, demir, sezyum, sodyum ve potasyum içeren alaşımlar oluşturur, ancak lityum değil (rubidyum ve lityum aynı grupta olsa bile).

Rubidyumun iyonlaşma enerjisi sadece 406 kJ/mol'dür. Rubidyum ve potasyum alev testinde çok benzer bir mor renk gösterir ve iki elementin ayırt edilmesi spektroskopi gibi daha karmaşık analizler gerektirir.

Bileşikler

Rubidyum klorür (RbCl) muhtemelen en çok kullanılan rubidyum bileşiğidir: diğer bazı klorürlerin arasında, canlı hücreleri DNA'yı almak için uyarmak için kullanılır; aynı zamanda bir biyobelirteç olarak kullanılır, çünkü doğada, canlı organizmalarda sadece küçük miktarlarda bulunur ve mevcut olduğunda potasyumun yerini alır. Diğer yaygın rubidyum bileşikleri, çoğu rubidyum bazlı kimyasal işlem için başlangıç malzemesi olan aşındırıcı rubidyum hidroksittir (RbOH); Bazı optik camlarda kullanılan rubidyum karbonat (Rb₂CO₃) ve rubidyum bakır sülfat, Rb₂SO₄·CuSO₄·6H₂O sıralanabilir. Rubidyum gümüş iyodür (RbAg₄I₅) bilinen herhangi bir iyonik kristalin en yüksek oda sıcaklığı iletkenliğine, ince film pillerden ve diğer uygulamalardan yararlanan bir özelliğe sahiptir.

Rubidyum, havaya maruz kaldığında rubidyum monoksit (Rb₂O), Rb₆O, ve Rb₉O₂ dahil olmak üzere bir dizi oksit oluşturur; aşırı oksijen içindeki rubidyum süperoksit RbO₂'yi verir. Rubidyum, halidlerle tuzlar oluşturur ve rubidyum florür, rubidyum klorür, rubidyum bromür ve rubidyum iyodür üretir.

İzotopları

Rubidyum monoizotop olmasına rağmen, Dünya'nın kabuğundaki rubidyum iki izotoptan oluşur: kararlı ⁸⁵Rb (% 72.2) ve radyoaktif ⁸⁷Rb (% 27.8). Doğal rubidyum radyoaktiftir, yaklaşık 670 Bq/g spesifik aktiviteye sahip, 110 günde bir fotoğraf filmi önemli ölçüde açığa çıkarmaya yeter.

Yirmi dört ilave rubidyum izotopu 3 aydan daha kısa yarı ömürlerle sentezlenmiştir; çoğu radyoaktiftir ve çok az kullanımı vardır.

Rubidyum-87 yarılanma ömrüne 48.8×10⁹ yıl sahiptir, bu da (13.799 ± 0.021)×10⁹ yıllık evrenin yaşının üç katından fazladır ve bu da onu birincil nüklid yapar. Minerallerdeki potasyumun yerini alır ve bu nedenle oldukça yaygındır. Rb, tarihleme kayalarında yaygın olarak kullanılmıştır; ⁸⁷Rb beta, kararlı ⁸⁷Sr'ye bozunur. Fraksiyonel kristalizasyon sırasında Sr, plajiyoklazda konsantre olma eğilimindedir ve Rb'yi sıvı fazda bırakır. Bu nedenle, rezidüel magmada Rb/Sr oranı zamanla artabilir ve artan farklılaşma, yüksek Rb/Sr oranlarına sahip kayalarla sonuçlanır. En yüksek oranlar (10 veya daha fazla) pegmatitlerde görülür. Başlangıçtaki Sr miktarı biliniyorsa veya tahmin edilebilirse, yaş Rb ve Sr konsantrasyonlarının ve ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr oranının ölçülmesiyle belirlenebilir. Tarihler, ancak kayaçlar daha sonra değiştirilmediyse minerallerin gerçek yaşını gösterir (bkz. Rubidyum-stronsiyum tarihlemesi).

Elementin doğal olmayan izotoplarından biri olan rubidyum-82, 25.36 günlük bir yarı ömre sahip stronsiyum-82'nin elektron yakalama bozunması ile üretilir. 76 saniyelik yarılanma ömrü ile rubidyum-82, pozitron emisyonu ile kararlı kripton-82'ye bozunur.

Oluşum

Rubidyum, yerkabuğunda çinko kadar bol ve bakırdan daha yaygın olan yirmi üçüncü en bol elementtir. Doğal olarak %1 kadar rubidyum oksit içeren lösit, kirletici, karpalit ve zinnwaldit minerallerinde görülür. Lepidolit %0.3 ila %3.5 arasında rubidyum içerir ve elementin ticari kaynağıdır. Bazı potasyum mineralleri ve potasyum klorürler de elementi ticari olarak önemli miktarlarda içerir.

Deniz suyu, 408 mg/L potasyum için çok daha yüksek değere ve sezyum için 0.3 ug/L çok daha düşük bir değere kıyasla ortalama 125 ug/L rubidyum içerir.

Büyük iyonik yarıçapı nedeniyle rubidyum "uyumsuz elementlerden" biridir. Magma kristalizasyonu sırasında rubidyum, sıvı fazdaki daha ağır analog sezyum ile birlikte konsantre edilir ve en son kristalleşir. Bu nedenle, rubidyum ve sezyumun en büyük yatakları, bu zenginleştirme işlemiyle oluşturulan bölge pegmatit cevheri cisimleridir. Rubidyum magmanın kristalleşmesinde potasyum yerine geçer, zenginleştirme sezyumdan çok daha az etkilidir. Kirletici olarak az miktarda sezyum veya lityum mineralleri lepidolit içeren zon pegmatit cevheri cisimleri de yan ürün olarak rubidyum kaynağıdır.

İki önemli rubidyum kaynağı, Kanada'nın Manitoba kentindeki Bernic Gölü'ndeki zengin kirletici birikintileridir ve İtalyan adası Elba'da %17,5'lik bir rubidyum içeriğine sahip olan rubikum kirliliği olarak bulunan rubiklin ((Rb,K)AlSi₃O₈)'dir. Bu yatakların her ikisi de sezyum kaynağıdır.

Üretim

Rubidyum Dünya'nın kabuğunda sezyumdan daha bol olmasına rağmen, sınırlı uygulamalar ve rubidyum açısından zengin bir mineral eksikliği rubidyum bileşiklerinin üretimini yılda 2 ila 4 ton ile sınırlar. Potasyum, rubidyum ve sezyumun ayrılması için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bir rubidyum ve sezyum şapının (Cs,Rb)Al(SO₄)₂·12H₂O'nun fraksiyonel kristalizasyonu, sonraki 30 aşamadan sonra saf rubidyum şapı verir. Klorostannat işlemi ve ferrosiyanür işlemi olmak üzere iki yöntem daha bildirilmiştir.

1950'lerde ve 1960'larda birkaç yıl boyunca Alkarb adı verilen potasyum üretiminin bir yan ürünü rubidyum için ana kaynaktı. Alkarb %21 rubidyum içerir, geri kalanı potasyum ve az miktarda sezyum idi. Bugün Tanco Madeni, Manitoba, Kanada gibi en büyük sezyum üreticileri, kirleticiden bir yan ürün olarak rubidyum üretmektedir.

Tarihçe

Rubidyum 1861'de Robert Bunsen ve Gustav Kirchhoff tarafından Almanya Heidelberg'da lepidolitte mineralinde alev spektroskopisi ile keşfedildi. Emisyon spektrumundaki parlak kırmızı çizgiler nedeniyle, Latince rubidus kelimesinden türetilmiş bir isim seçtiler, yani "koyu kırmızı" anlamına gelen.

Rubidyum lepidolitte küçük bir bileşendir. Kirchhoff ve Bunsen, sadece %0.24 rubidyum oksit (Rb₂O) içeren 150 kg lepidolit işledi. Hem potasyum hem de rubidyum kloroplatinik asit ile çözünmeyen tuzlar oluşturur, ancak bu tuzlar sıcak suda çözünürlükte hafif bir fark gösterir. Bu nedenle, daha az çözünür rubidyum hekzakloroplatinat (Rb₂PtCl₆), fraksiyonel kristalleştirme ile elde edilebilir. Hekzakloroplatinatın hidrojen ile indirgenmesinden sonra, işlem daha sonraki çalışmalar için 0.51 gram rubidyum klorür verdi. Bunsen ve Kirchhoff, ilk büyük ölçekli sezyum ve rubidyum bileşiklerini 44.000 litre (12.000 US gal) maden suyu ile başlattılar, bu da 7.3 gram sezyum klorür ve 9.2 gram rubidyum klorür verdi. Rubidyum, sezyumdan kısa bir süre sonra, Bunsen ve Kirchhoff tarafından spektroskopinin icat edilmesinden sadece bir yıl sonra, spektroskopi ile keşfedilecek ikinci elementti.

İki bilim adamı, yeni elementin atom ağırlığının 85.36 olduğunu tahmin etmek için rubidyum klorür kullandılar (şu anda kabul edilen değer 85.47'dir). Erimiş rubidyum klorürün elektrolizi ile elementer rubidyum üretmeye çalıştılar, ancak bir metal yerine, "çıplak göz altında ya da mikroskop altında en az metalik madde izi göstermeyen" mavi homojen bir madde elde ettiler. Bunun bir subklorür (Rb
2Cl) olduğunu varsaydılar; bununla birlikte, ürün muhtemelen metal ve rubidyum klorürün koloidal bir karışımıdır. Metalik rubidyum üretmeye yönelik ikinci bir girişimde Bunsen, kömürleşmiş rubidyum tartarat ısıtılarak rubidyumu azaltabildi. Damıtılmış rubidyum piroforik olmasına rağmen, yoğunluğu ve erime noktasını belirleyebildiler. 1860'lı yıllarda bu araştırmanın kalitesi, belirlenmiş yoğunluklarının şu anda kabul edilen değerlerden 0.1 g/cm³'ten ve erime noktasının 1 °C'den az farklılık göstermesi ile değerlendirilebilir.

Rubidyumun hafif radyoaktivitesi 1908'de keşfedildi, ancak bu 1910'da izotop teorisi kurulmadan önceydi ve düşük aktivite seviyesi (1010 yıldan fazla yarı ömür) yorumu karmaşık hale getirdi. ⁸⁷Rb'nin beta bozunmasına karşı kararlı olduğu kanıtlanan ⁸⁷Sb bozunumunun 1940'ların sonlarında hala tartışılmaktadır.

Rubidyum 1920'lerden önce minimum endüstriyel değere sahipti. O zamandan beri rubidyumun en önemli kullanımı, başta kimyasal ve elektronik uygulamalarda olmak üzere araştırma ve geliştirmedir. 1995 yılında rubidyum-87, keşfediciler Eric Allin Cornell, Carl Edwin Wieman ve Wolfgang Ketterle'ın 2001 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandığı Bose-Einstein kondensini üretmek için kullanıldı.

Uygulamalar

Rubidyum bileşikleri bazen havai fişeklerde mor bir renk vermek için kullanılır. Rubidyum ayrıca sıcak rubidyum iyonlarının manyetik bir alandan geçtiği manyetohidrodinamik prensibi kullanılarak bir termoelektrik jeneratörde kullanım için düşünülmüştür. Bunlar elektriği iletir ve bir jeneratörün armatürü gibi davranır, böylece bir elektrik akımı üretir. Rubidyum, özellikle buharlaştırılmış 87Rb, lazer soğutma ve Bose-Einstein yoğunlaşması için kullanılan en yaygın kullanılan atomik türlerden biridir. Bu uygulama için arzu edilen özellikleri, ilgili dalga boyunda ucuz diyot lazer ışığının hazır bulunmasını ve önemli buhar basınçları elde etmek için gereken ılımlı sıcaklıkları içerir. Ayarlanabilir etkileşimler gerektiren soğuk atomlu uygulamalar için, zengin Feshbach spektrumu nedeniyle ⁸⁵Rb tercih edilir.

Rubidyum, ³He'yi polarize etmek için, mıknatıslanmış ³He gaz hacimleri üreten ve nükleer spinler rastgele değil hizalanmış olarak kullanılmıştır. Rubidyum buharı bir lazerle optik olarak pompalanır ve polarize Rb hiperfin etkileşimi yoluyla ³He'yi polarize eder. Bu tip spin-polarize edilmiş ³He hücreleri, nötron polarizasyon ölçümleri ve başka amaçlar için polarize nötron ışınları üretmek için yararlıdır.

Atomik saatlerdeki rezonant element, rubidyumun enerji seviyelerinin aşırı ince yapısını kullanır ve rubidyum yüksek hassasiyetli zamanlama için faydalıdır. Hücre bölgesi vericileri ve diğer elektronik iletim, ağ oluşturma ve test ekipmanlarında ikincil frekans referanslarının (rubidyum osilatörleri) ana bileşeni olarak kullanılır. Bu rubidyum standartları genellikle GPS ile daha yüksek hassasiyete sahip ve sezyum standartlarından daha ucuz olan bir "birincil frekans standardı" üretmek için kullanılır. Bu rubidyum standartları genellikle telekomünikasyon endüstrisi için seri olarak üretilir.

Rubidyumun diğer potansiyel veya mevcut kullanımları, buhar türbinlerindeki bir çalışma sıvısını, vakum tüplerinde bir alıcı ve bir fotosel bileşeni olarak içerir. Rubidyum ayrıca özel cam türlerinde, oksijen içinde yanarak süperoksit üretiminde, biyolojide potasyum iyon kanallarının çalışmasında ve atomik manyetometrelerde buhar olarak kullanılır. Özellikle ⁸⁷Rb, spin değiştirmeli gevşemesiz (SERF) manyetometrelerin geliştirilmesinde diğer alkali metallerle birlikte kullanılır.

Rubidyum-82 pozitron emisyon tomografisi için kullanılır. Rubidyum potasyuma çok benzer ve yüksek potasyum içeriğine sahip doku radyoaktif rubidyumu da biriktirir. Ana kullanımlardan biri miyokard perfüzyon görüntülemesidir. Beyin tümörlerinde kan-beyin bariyerindeki değişikliklerin bir sonucu olarak, rubidyum beyin tümörlerinde normal beyin dokusundan daha fazla toplanır ve beyin tümörlerini bulmak ve görüntülemek için nükleer tıpta radyoizotop rubidyum-82 kullanılmasına izin verir. Rubidyum-82'nin 76 saniyelik çok kısa bir yarı ömrü vardır ve stronsiyum-82'nin çürümesinden kaynaklanan üretim hastaya yakın yapılmalıdır.

Rubidyum, manik depresyon ve depresyon üzerindeki etkisi açısından test edilmiştir. Depresyonu olan diyaliz hastaları rubidyumda bir tükenme gösterir ve bu nedenle depresyon sırasında bir takviye yardımcı olabilir. Bazı testlerde rubidyum, 60 gün boyunca günde 720 mg'a kadar rubidyum klorür olarak uygulandı.

Önlemler ve biyolojik etkiler

Rubidyum

Tehlikeler
GHS piktogramlar
GHS işaret kelimesi	Danger
GHS Tehlike bildirimleri	H260, H314
GHS Önlem Açıklamaları	P223, P231, P232, P280, P305+351+338, P370+378, P422
NFPA 704	4 3 2 W

Rubidyum su ile şiddetli reaksiyon verir ve yangına neden olabilir. Güvenlik ve saflığı sağlamak için, bu metal genellikle kuru mineral yağ altında tutulur veya inert bir atmosferde cam ampullere kapatılır. Rubidyum, yağa dağılan az miktarda havaya bile maruz kaldığında peroksitler oluşturur ve depolama, metalik potasyumun depolanması ile benzer önlemlere tabidir.

Rubidyum, sodyum ve potasyum gibi, suda çözüldüğünde biyolojik bağlamlarda bile neredeyse her zaman +1 oksidasyon durumuna sahiptir. İnsan vücudu, Rb⁺ iyonlarını potasyum iyonları gibi muamele etme eğilimindedir ve bu nedenle rubidyumu vücudun hücre içi sıvısında (yani hücrelerin içinde) konsantre eder. İyonlar özellikle toksik değildir; 70 kg'lık bir kişi ortalama 0.36 g rubidyum içerir ve bu değerde 50 ila 100 kat artış testlerde olumsuz etkiler göstermedi. İnsanlarda rubidyumun biyolojik yarılanma ömrü 31-46 gün arasındadır. Potasyumun rubidyum ile kısmi bir ikamesi mümkün olsa da, sıçanların kas dokusundaki potasyumun %50'sinden fazlası rubidyum ile değiştirildiğinde, sıçanlar öldü.