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。

   37Rb
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




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
铷的电子層(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
蒸氣壓
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 丰度 半衰期 (t1/2) 衰變
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,帶48個中子
86Rb 人造 18.65天 β 1.775 86Sr
γ 1.0767 -
87Rb 27.835% 4.88×1010 β 0.283 87Sr

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Rb
2
Cl
),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。

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。

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

危险性
GHS危险性符号
GHS提示词 Danger
H-术语 H260, H314
P-术语 P223, P231+232, P280, P305+351+338, P370+378, P422[52]
NFPA 704
4
3
2
W
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

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。[53]

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。[54]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。[55]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。[56][57]

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延伸閱讀

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外部連結

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