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銣是一種化學元素,符號為Rb,原子序数為37。銣是種質軟、呈銀白色的金屬,屬於鹼金屬,原子量為85.4678。單質銣的反應性極高,其性質與其他鹼金屬相似,例如會在空氣中快速氧化。自然出現的銣元素由兩種同位素組成:85Rb是唯一一種穩定同位素,佔72%;87Rb具微放射性,佔28%,其半衰期為490億年,超過宇宙年齡的三倍。 德國化學家羅伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基爾霍夫於1861年利用當時的新技術火焰光譜法發現了銣元素。 銣化合物有一些化學和電子上的應用。銣金屬能夠輕易氣化,而且它有特殊的吸收光譜範圍,所以常被用在原子的激光操控技術上。 銣並沒有已知的生物功用。但生物體對銣離子的處理機制和鉀離子相似,因此銣離子會被主動運輸到植物和動物細胞中。
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铷   37Rb




外觀
灰白色
概況
名稱·符號·序數 铷(Rubidium)·Rb·37
元素類別 碱金属
·週期· 1·5·s
標準原子質量 85.4678(3)
電子排布

[] 5s1
2,8,18,8,1

歷史
發現 罗伯特·威廉·本生古斯塔夫·基尔霍夫(1861年)
分離 乔治·德海韦西
物理性質
物態 固体
密度 (接近室温
1.532 g·cm−3
熔點時液體密度 1.46 g·cm−3
熔點 312.46 K,39.31 °C,102.76 °F
沸點 961 K,688 °C,1270 °F
臨界點 2093(預測)[1] K,16 MPa
熔化熱 2.19 kJ·mol−1
汽化熱 75.77 kJ·mol−1
比熱容 31.060 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 434 486 552 641 769 958
原子性質
氧化態 +1
(強鹼性氧化物)
電負性 0.82(鲍林标度)
電離能

第一:403 kJ·mol−1
第二:2632.1 kJ·mol−1
第三:3859.4 kJ·mol−1

更多
原子半徑 248 pm
共價半徑 220±9 pm
范德華半徑 303 pm
雜項
晶體結構 體心立方
磁序 顺磁性[2]
電阻率 (20 °C)128 n Ω·m
熱導率 58.2 W·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)1300 m·s−1
楊氏模量 2.4 GPa
體積模量 2.5 GPa
莫氏硬度 0.3
布氏硬度 0.216 MPa
CAS號 7440-17-7
最穩定同位素

主条目:铷的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
83Rb 人造 86.2天 ε - 83Kr
γ 0.52, 0.53,
0.55
-
84Rb 人造 32.9天 ε - 84Kr
β+ 1.66, 0.78 84Kr
γ 0.881 -
β 0.892 84Sr
85Rb 72.168% 穩定,带48个中子
86Rb 人造 18.65天 β 1.775 86Sr
γ 1.0767 -
87Rb 27.835% 4.88×1010 β 0.283 87Sr

是一種化學元素,符號為Rb原子序数為37。銣是種質軟、呈銀白色的金屬,屬於鹼金屬原子量為85.4678。單質銣的反應性極高,其性質與其他鹼金屬相似,例如會在空氣中快速氧化。自然出現的銣元素由兩種同位素組成:85Rb是唯一一種穩定同位素,佔72%;87Rb具微放射性,佔28%,其半衰期為490億年,超過宇宙年齡的三倍。

德國化學家羅伯特·威廉·本生古斯塔夫·基爾霍夫於1861年利用當時的新技術火焰光譜法發現了銣元素。

銣化合物有一些化學和電子上的應用。銣金屬能夠輕易氣化,而且它有特殊的吸收光譜範圍,所以常被用在原子激光操控技術上。

銣並沒有已知的生物功用。但生物體對銣離子的處理機制和離子相似,因此銣離子會被主動運輸到植物和動物細胞中。

歷史

古斯塔夫·基爾霍夫(左)和羅伯特·威廉·本生(中)通過光譜法發現了銣元素。

1861年,羅伯特·威廉·本生古斯塔夫·基爾霍夫在德國海德堡,利用光譜儀鋰雲母中發現了銣元素。由於其發射光譜呈現出多條鮮明的紅線,所以他們選擇了拉丁文中意為「深紅色」的「rubidus」一詞為它命名。[3][4]

銣是鋰雲母中的一種次要成分。基爾霍夫和本生所處理的150公斤鋰雲母中,只含有0.24%的氧化銣(Rb2O)。鉀和銣都會和氯鉑酸形成不可溶鹽,但在熱水中,兩種鹽的可溶性有小許差異。可溶性稍低的六氯鉑酸銣(Rb2PtCl6)可以經分級結晶的方法取得。用對六氯鉑酸銣進行還原後,基爾霍夫和本生獲得了0.51克的氯化銣。兩人之後對銣和銫進行的首次大型萃取工序用到了4萬4千升礦物水,並一共提取出7.3克氯化銫和9.2克氯化銣。[3][4]基爾霍夫和本生在發明光譜儀僅僅一年後就發現了銣元素。銣因此成為繼銫以後第二個通過光譜學方法發現的元素。[5]

兩人用提取出的氯化銣來估計銣的原子量,得出的數值為85.36(目前受認可的數值為85.47)。[3]他們試圖對熔融氯化銣進行電解以取得單質銣,但他們取得了一種藍色的均勻物質,且「無論在肉眼還是顯微鏡下都無法看出絲毫的金屬成分」。他們推測這種物質是低價氯化銣Rb2Cl),不過它其實更可能是銣金屬和氯化銣的膠體狀混合物。[6]之後,本生進行了第二次嘗試,對炭化了的酒石酸銣加熱,成功還原了銣金屬。儘管蒸餾出的銣會在空氣中自燃,但本生仍能夠測量出銣的密度和熔點。1860年代所取得的密度值,與今天認可的數值只相差0.1 g/cm3,熔點值的偏差也在1 °C以內。[7]

科學家在1908年發現了銣的微放射性,但同位素理論在1910年代才被建立起來,加上放射性銣的半衰期超過1010年,所以當時對這一現象的解釋尤為困難。有關銣的衰變方式的爭論一直持續到1940年代末。目前已證實,87Rb會經β衰變成為穩定的87Sr。[8][9]

1920年代以前,銣還沒有工業用途。[10]此後,銣的最大應用在於化學和電子範疇的研究和開發。1995年,埃里克·康奈爾卡爾·埃德溫·威曼沃爾夫岡·克特勒用銣-87實現了玻色–愛因斯坦凝聚[11]並因此獲得了2001年的諾貝爾物理學獎[12]

性質

銣是一種質軟、可塑性高的銀白色金屬。[13]在所有非放射性鹼金屬元素中,銣的電負性排行第二。其熔點為39.3 °C。銣金屬會在水中劇烈反應,它會和產生汞齊,並且會和形成合金(但不會和形成合金,儘管鋰和銣同屬鹼金屬)。這些屬性都和其他的鹼金屬相似。[14]與反應性稍低的鉀和反應性稍高的銫一樣,銣和水所產生的劇烈反應通常足以燃起所釋放出來的氫氣。它也可以在空氣中自燃。[13]銣的電離能很低,只有406 kJ/mol。[15]銣在焰色測試中會發出紫色,和鉀非常相似,所以要用到光譜學技術才能將兩者分辨開來。[來源請求]

化合物

氯化銣(RbCl)是最常用的銣化合物之一。在生物化學中,它可以用來促使細胞吸取DNA。由於生物體內的銣極少,且銣會被活細胞吸收而代替鉀,所以它能用作一種生物標記物。氫氧化銣(RbOH)具有腐蝕性,能作為大部份用到銣的化學反應的初始化合物。其他銣化合物還包括用在某些眼鏡鏡片中的碳酸銣(Rb2CO3),以及硫酸銣銅(Rb2SO4·CuSO4·6H2O)等。碘化銣銀(RbAg4I5)是所有已知離子晶體中,室溫電導率最高的。在製造薄膜電池時可以利用這一屬性。[16][17]

銣的氧化物有若干種,包括氧化銣(Rb2O)、Rb6O和Rb9O2,后两种低氧化物可以在空气中燃烧。銣暴露在空氣中即會產生這些氧化物。在氧氣過剩的環境下,則會形成超氧化物(RbO2)。銣和鹵化物形成鹽,例如氟化銣氯化銣溴化銣碘化銣等。[18]

同位素

雖然銣是一種單一同位素元素(即只有一種穩定同位素),但自然界中的銣元素卻由兩種同位素組成:穩定的85Rb(佔72.2%)以及放射性同位素87Rb(佔27.8%)。[19]因此自然界中的銣具有放射性,比活性約為670 Bq/g。這樣的輻射水平可以在110天內於照相底片上留下影像。[20][21]85Rb和87Rb之外,還有30種非自然生成的同位素。它們具有放射性,半衰期都在3個月以內。[22]

銣-87的半衰期48.8×109年,這是宇宙年齡13.798×109年的三倍有餘。[23]它是一種原生核素,在地球形成時便已存在。在礦物中,銣常會代替元素的位置,所以其分佈廣泛。87Rb在釋放一個負β粒子之後,會衰變成穩定的87Sr,這可以用於測定岩石的年齡。在地球內部的分級結晶過程中,鍶會集中在斜長石中,留下處於液態的銣。因此,在殘餘岩漿中銣對鍶的比例會隨時間增加,經活成分異作用形成銣/鍶比例較高的岩石。偉晶岩中的銣/鍶比例最高(10以上)。如果可以測得或推算出最初的鍶含量,那麼通過測量目前銣和鍶的含量以及87Sr/86Sr比例,就可以算出該岩石樣本的年齡。這一年齡只有在岩石不曾受變動的情況下才等於真實的年齡值。[24][25]

銣-82是其中一種人造同位素,可經鍶-82的電子捕獲衰變過程產生,反應的半衰期為25.36年。銣-82會再經正電子發射衰變為穩定的-82,半衰期為76秒。[19]

存量

銣在地球地殼中的豐度在所有元素中排第23位,與相近,比更常見。[26]它自然出現在白榴石銫榴石光鹵石鐵鋰雲母等礦物之中,氧化銣大約佔這些礦物的1%。鋰雲母中的銣含量在0.3%和3.5%之間,是銣的主要商業來源。[27]某些含礦物和氯化鉀都會含有不少的銣元素,有商業開採價值。[28]

銣在海水中的濃度平均為125 µg/L。相比之下,鉀的濃度則高得多(408 mg/L),銫則低得多(0.3 µg/L)。[29]

由於離子半徑較大,所以銣屬於所謂的「不相容成分」。[30]熔岩結晶過程中,銣和更重的同族元素銫聚集在一起,處於液態,是最後一個結晶的成分。因此,含有銣和銫的最大礦藏,都是經由這種濃縮過程所形成的偉晶岩礦帶。由於銣會在結晶時代替的位置,所以其濃縮的程度遠低於銫。從含有銫榴石的偉晶岩中可開採出銫,從鋰雲母中可開採出鋰,過程中也會產生銣作副產品。[26]

銣的主要礦藏包括:位於加拿大曼尼托巴省伯尼克湖銫榴石礦藏,以及意大利厄爾巴島上的銣長石((Rb,K)AlSi3O8)礦藏,其銣含量高達17.5%。[31]以上兩處同時也是銫的來源。[來源請求]

生產

雖然銣在地殼中比銫更常見,但其應用不廣,加上缺乏一種富含銣的礦物,所以各種銣化合物的年產量只有2至4噸。[26]分離鉀、銣和銫的方法有若干種。對銣和銫礬重複進行分級結晶,30次以後便可獲得純銣礬。另外兩種方法分別利用氯錫酸鹽和亞鐵氫化物。[26][32]

1950至1960年代,鉀生產過程中一種稱為「Alkarb」的副產品曾經是銣元素的主要來源。Alkarb含21%的銣,其餘大部份是鉀,另有少量銫。[33]如今,銣是銫開採過程中的一种副產品,加拿大曼尼托巴省的銫榴石礦就是其中一例。[26]

銣的焰色測試

應用

銣化合物有時會被添加在煙花當中,使它發出紫光。[34]銣可以用在磁流體發動機和熱傳導發電機中:高溫下形成的銣離子經過磁場[35]作用就像發電機中的電樞,因而產生電流。用它製成的激光二極體價廉,且激光波長範圍適宜,維持高蒸氣壓所需的溫度也在中等範圍內,所以銣(特別是87Rb)是激光冷卻玻色–愛因斯坦凝聚應用上最常用的一種原子。[36][37]

科學家曾用銣對3He進行極化,這樣產生的3He氣體擁有單一方向,而不是隨機方向的核自旋。激光對銣氣體進行光抽運,極化了的銣就會通過超精細交互作用使3He極化。[38]這樣自旋極化了的3He氣體可以用在中子極化測量中,或用於製造極化中子作其他用途。[39]

原子鐘的共振元件可以利用銣的能級的超精細結構,因此銣已被應用在高精度計時上。全球定位系統(GPS)常利用銣頻率標準來生成一個比銫頻率標準更精准、成本更低的「主頻率標準」。[40][41]這種銣頻率標準在電信工業中有大規模的生產。[42]

銣的其他潛在應用包括:蒸汽渦輪中的工作流體、真空管中的吸氣劑以及光度感應器元件等。[43]銣是一些特殊玻璃的成分,也可用於製造超氧化物。它能夠在細胞中代替鉀的位置,所以能被用來研究離子通道。銣氣體還被用於原子磁強計中。[44]科學家正在用87Rb,連同其他鹼金屬,來開發無自旋交換弛豫(SERF)原子磁強計。[44]

銣-82可用於正電子發射電腦斷層掃描。銣和鉀相似,所以含有大量鉀的生物組織也會積聚具放射性的銣元素。這一原理主要應用在心肌灌注成像。銣-82的半衰期只有76秒,所以必須從靠近病人的鍶-82衰變而得。[45]由於腦腫瘤血腦屏障有所變異,所以腫瘤會比正常腦組織更容易積累銣。核醫學可以利用這一原理對腫瘤進行定位和照相。[46]

科學家曾做過實驗,以研究銣對患有躁鬱症抑鬱症的病人有何影響。[47][48]透析治療期間患上抑鬱症的病人體內缺少銣,所以補充銣元素可能可以舒緩抑鬱症。[49]在某些試驗中,病人須連續60天攝入720 mg的氯化銣。[50][51]

安全

銣金屬會和水發生劇烈的反應,甚至會著火;即使放在煤油中,也会缓慢反应,并被溶解的少量氧给氧化。因此,铷一般保存在真空安瓿或充有稀有气体(如氩气)的安瓿中。只要接觸到少許的空氣,包括滲入油中的氧氣,銣就會變成過氧化銣。因此它的安全措施和鉀金屬相似。[52]

與鈉和鉀一樣,銣溶在水中的時候幾乎永遠呈+1氧化態,在所有生物體內的銣也一樣。Rb+離子在人的體內似乎和鉀離子無異,所以主要積聚在細胞內液中。[53]銣離子並沒有明顯的毒性:一個70公斤重的人體內平均含有0.36克的銣,而在這一數值提升50甚至100倍之後,也沒有對試驗對象造成任何明顯的負面影響。[54]銣在人體內的生物半衰期為31至46天。[47]在老鼠身上進行的實驗指出,如果體內一小部份鉀替換成銣,身體是能夠承受的,但一旦肌肉組織內一半的鉀都換成銣,老鼠便會死亡。[55][56]

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延伸閱讀

  • Meites, Louis (1963). Handbook of Analytical Chemistry (New York: McGraw-Hill Book Company, 1963)
  • Steck, Daniel A. Rubidium-87 D Line Data (PDF). Los Alamos National Laboratory (technical report LA-UR-03-8638). 

外部連結

  • Rubidium at The Periodic Table of Videos(諾丁漢大學)



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