Rubidium

Rubidium () on alkalimetalleihin lukeutuva alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Rb ja järjestysluku 37. Rubidium on hopeanvärinen, pehmeä metalli, joka muiden alkalimetallien tavoin reagoi erittäin kiivaasti veden kanssa. Sen löysivät Robert Bunsen ja Gustav Kirchhoff spektrianalyysin avulla Heidelbergissä vuonna 1861. Rubidiumia käytetään muun muassa atomikelloissa, valokennoissa ja katalyyttinä.
Luonnossa rubidium sisältää ainoan pysyvän isotoopin 85Rb lisäksi noin 28 % hajoavaa isotooppia 87Rb, joka on heikosti radioaktiivista.
Ominaisuudet ja rakenne.
Rubidium on yksi elektropositiivisimmista metalleista ja kuuluu alkalimetallien ryhmään. Rubidium kuuluu jaksollisen järjestelmän ensimmäisen pääryhmän viidenteen jaksoon ja sijaitsee strontiumin vieressä. Rubidiumin sulamispiste on 40 °C, joten se voi esiintyä luonnossa myös nestemäisenä.
Rubidiumin elektronikonfiguraatio on [Kr]5s1. Rubidium saattaa syttyä itsestään palamaan ja muiden alkalimetallien tavoin reagoi erittäin kiivaasti veden kanssa vapauttaen vetyä. Kuten muutkin alkalimetallit, rubidium muodostaa elohopean kanssa amalgaameja. Rubidiumin ja kaliumin liekit ovat molemmilla violetit, joten spektroskooppisia menetelmiä tarvitaan erottamaan nämä kaksi alkuainetta toisistaan.
Yhdisteet.
Rubidiumin hapetusluku on lähes aina +I. Rubidium voi muodostaa erilaisia yhdisteitä, joista rubidiumkloridi (RbCl) on eniten käytetty yhdiste. Rubidiumkloridia käytetään biokemiassa merkkiaineena, koska luonnostaan sitä esiintyy elävissä organismeissa vain vähän. Toinen yleinen rubidiumin yhdiste on rubidiumhydroksidi (RbOH), jota käytetään lähtöaineena monissa rubidiumpohjaisissa reaktioissa. Rubidiumhopeajodidilla (RbAg4I5) on korkein sähkönjohtavuus huoneenlämpötilassa kaikista tunnetuista ionikiteistä. Rubidiumilla on monia oksideja, joita syntyy, kun rubidiummetalli joutuu ilman kanssa tekemisiin. Rubidium muodostaa myös suoloja halidien kanssa, kuten muun muassa rubidiumfluoridin ja jo edellä mainitun rubidiumkloridin.
Isotoopit.
Luonnostaan rubidium esiintyy kahdella eri isotoopilla massaluvuilla 85 ja 87. Massaluvulla 85 esiintyvä rubidiumin isotooppi on pysyvä ja massaluvun 87 isotooppi on radioaktiivinen isotooppi, jota esiintyy luonnossa noin 28 %. Radioaktiivisen rubidiumin hajoaminen luonnossa tapahtuu β--hajoamisella. Radioaktiivinen rubidiumin isotooppi hajoaa negatiivisen beetapartikkelin emissiolla pysyväksi strontium-87:ksi. Lisäksi rubidiumilla on 24 muuta synteettisesti valmistettua isotooppia. Rubidium-87 puoliintumisaika on 4,8·1010 vuotta. Eräs rubidiumin synteettinen isotooppi on Rubidium-82, jota valmistetaan elektronisieppauksella strontium-82:sta. Tätä rubidiumin isotooppia käytetään positroniemissiokuvauksessa (PET) merkkiaineena. Rubidium-82 puoliintumisaika on 76 s.
Historia.
Rubidium löydettiin Heidelbergissä vuonna 1861. Rubidiumin löysivät Gustav Kirchhoff ja Robert Bunsen tutkiessaan lepidoliittinäytettä spektroskoopilla. Rubidium on toinen alkuaine, joka on löydetty spektroskoopin avulla. Nimensä alkuaine sai latinan sanasta "rubidus", joka kuvaa rubidiumin tummanpunaisia spektriviivoja. Lepidoliitin rubidiumpitoisuus oli niin pieni, että Bunsen ja Kirchhoff tarvitsivat 150 kilogrammaa malmia pystyäkseen erottamaan tarpeeksi rubidiumia sen ominaisuuksien tutkimiseksi.
Robert Bunsen eristi alkalimetalleja mineraalilähdevedestä saostamalla ne ensin kloroplatinaatteina ja erottamalla ne sen jälkeen toisistaan klorideina. Bunsen onnistui valmistamaan rubidiummetallia pelkistämällä rubidiumvetytartraattia hiilellä.
Rubidiumia ei käytetty teollisissa sovelluksissa ennen 1920-lukua, jolloin sitä alettiin käyttää valokennoissa. Suurin osa käytetystä rubidiumista on hyödynnetty erilaisissa tutkimuksissa. Rubidiumia ja cesiumia voidaan käyttää samanlaisissa sovelluksissa, ja näissä sovelluksissa rubidium korvataan useimmiten cesiumilla.
Vuonna 1995 Eric Cornell ja Carl E. Wieman jäähdyttivät rubidiumatomeja laserilla ja havaitsivat, että niiden nopeusjakaumassa suurin osa atomeista oli perustilassa eli atomit muodostivat Bosen-Einsteinin kondensaatin. Cornell ja Wieman saivat havainnostaan Nobel-palkinnon vuonna 2001.
Esiintyminen.
Rubidiumia pidetään 16. runsaimpana alkuaineena maankuoressa. Sitä löytyy muun muassa pollusiitista, leusiitista, karnalliitista ja zinnwaldiitista, joka sisältää rubidiumia oksidin muodossa noin 1 %. Lepidoliitista on löydetty jopa 1,5 % rubidiumia ja sitä saadaan kaupallisesti tästä lähteestä litiumin uuton sivutuotteena. Myös jotkut kaliummineraalit ja kaliumkloridit sisältävät rubidiumia kaupallisesti merkittävän määrän. Merkittäviä rubidiumin lähteitä ovat muun muassa runsas pollusiittiesiintymä Kanadassa (Bernic Lake, Manitoba), josta saadaan myös cesiumia, sekä kaliummineraalit Kaliforniassa (Searles Lake) ja Michiganin suolavesistä saatu kaliumkloridi. Merivesi sisältää rubidiumia keskimäärin 125 μg/L.
Tuotanto.
Rubidiumyhdisteitä tuotetaan noin 2−4 tonnia vuodessa. Metallista rubidiumia voidaan saostaa elektrolyysin avulla. Rubidiumia saadaan myös tuotettua lepidoliitin ja pollusiitin käsittelyn sivutuotteena. Kyseisiä malmeja louhitaan vain vähän ja valikoiduilla menetelmillä. Lepidoliittia ja pollusiittia etsitään lähinnä niiden litiumpitoisuuden takia.
Rubidium saadaan erotettua malmeissa esiintyvistä samankaltaisista alkalimetalleista, kaliumista ja cesiumista, useiden kemiallisten reaktioiden jälkeen. Erottaminen perustuu useimmiten metallien suolojen erilaiseen liukoisuuteen. Tavallisimmassa menetelmässä eri alkalimetallien alunoista muodostetaan ensin liuos. Liuos valmistetaan malmin mineraaleista joko uuttamalla malmeja pitkään rikkihapolla tai huuhtomalla malmin ja kipsin yhdistelmää kuumalla vedellä. Alunat erotetaan toisistaan ja puhdistetaan useamman kerran jakouudelleenkiteytyksen avulla. Tarvitaan kaiken kaikkiaan 30 uudelleenkiteytystä, jotta saadaan tuotettua puhdasta rubidiumalunaa [Rb2SO4:Al2(SO4)3•24 H2O]. Alunaa voidaan vielä jatkokäsitellä, jotta siitä saadaan muodostettua rubidiumhydroksidia (RbOH).
Rubidiumin erottamiseksi lepidoliitin tai pollusiitin seoksesta voidaan käyttää myös menetelmiä, joista toisella saadaan tuotettua puhdasta rubidiumkloridia ja toisella rubidiumkarbonaattia.
Rubidiumia valmistavat pääasiassa samat yhtiöt, jotka tuottavat myös kysytympää cesiumia. Tanskassa, Saksassa, Venäjällä, Japanissa ja Isossa-Britanniassa on muutamia yrityksiä, jotka käsittelevät rubidiumia sisältäviä malmeja ja valmistavat niistä metalleja tai erilaisia yhdisteitä. Kemianteollisuudessa tuotetaan jonkin verran rubidiumyhdisteiden johdannaisia. Kokonaisuudessaan rubidiumin tuotanto on hyvin pientä verrattuna muihin metalleihin. Tarkkoja arvioita maailman rubidiumesiintymien laajuudesta ei ole tehty, mutta on arvioitu että nykyisillä tuotantomäärillä Pohjois-Amerikan esiintymät pystyisivät yksinään vastaamaan rubidiumin kysyntään monien satojen vuosien ajaksi.
Käyttö.
Rubidiumia voidaan käyttää pienissä atomikelloissa, joiden toiminta perustuu atomin ominaisvärähtelyyn. Rubidiumatomikello heittää kymmenessä vuodessa korkeintaan sekunnin tuhannesosan. Yleensä atomikelloissa käytetään cesiumia, jonka ominaisuudet ovat samankaltaiset kuin rubidiumilla. Geologit käyttävät rubidiumin ja strontiumin isotooppeihin perustuvaa ajoitusmenetelmää määritellessään kiven ikää. Rubidiumia käytetään myös katalyyttina ja valokennoissa sekä tutkimustarkoituksissa. Koska rubidium on hyvin kallista, sen teollinen käyttö on vähäistä.
Rubidiumsuoloja käytetään laseissa ja keramiikassa. Rubidiumia käytetään myös työaineena höyryturbiineissa ja poistamaan kaasujäämiä tyhjiöputkista. Rubidiumnitraatti antaa ilotulitteille violetin värin. Rubidium on myös lievästi radioaktiivista ja siksi sitä on käytetty aivokasvainten paikannuksessa. Se kerääntyy kasvaimiin, mutta ei normaaliin kudokseen. Höyrystynyttä rubidiumia käytetään laserjäähdytyksessä ja Bosen-Einsteinin kondensaatiossa.
Alkuainetta on harkittu käytettäväksi myös avaruusalusten ionimoottoreissa, koska se ionisoituu helposti. Cesium on kuitenkin tähän tarkoitukseen tehokkaampi. Rubidiumia on myös harkittu käytettäväksi termoelektrisissä generaattoreissa, joissa rubidium ionisoituu kuumentamalla korkeissa lämpötiloissa ja ohjaamalla magneettikentän läpi. Ionit johtavat sähköä ja toimivat generaattorin magneettisydämenä tuottaen sähkövirtaa. RbAg4I5:lla on korkein sähkönjohtavuus huoneenlämpötilassa verrattuna muihin tunnettuihin ionikiteisiin. Lämpötilassa 20 ˚C sen johtavuus on samaa luokkaa laimean rikkihapon kanssa. Tämän vuoksi sitä käytetään ohuissa filmiparistoissa ja muissa sovelluksissa.
Myrkyllisyys, varotoimenpiteet ja biologiset vaikutukset.
Rubidium on erittäin helposti syttyvä. Rubidium tulee säilyttää inertin kaasun alla tiiviisti suljetussa astiassa tai lasiampulleissa inertissä tilassa. Rubidiumia ei saa varastoida yhdessä vahvojen hapettimien, veden tai happojen kanssa.
Rubidiumilla kuten muillakin alkalimetalleilla hapetusluku on +1 myös veteen liuenneena, joten sen ioneilla on vaikutuksia biologisiin systeemeihin. Ihmiskeho käsittelee rubidium-ionia (Rb+) kuten se olisi kaliumioni. Näin ollen rubidiumionit ajautuvat kehon sisälle joutuessaan solun sisäiseen nesteeseen. Rubidiumilla ei ole biologista roolia, mutta sillä on todettu olevan pieni metaboliaa kiihdyttävä vaikutus. Eläinkokeilla tehdyissä tutkimuksissa rubidium on huomattu vähentävän kasvainsolujen kasvua. Mahdolliset vaikutusmekanismit ovat rubidiumin kulkeutuminen kasvainsolun sisälle tai rubidiumionien kiinnittyminen syöpäsolujen solukalvoon.
Rubidiumilla on myrkyllisiä vaikutuksia vesieliöille johtuen sen aiheuttamasta veden pH:n muutoksesta.