Rubidi

Rubidi (hay Rubidium) là nguyên tố hóa học với kí hiệu Rb và số hiệu nguyên tử là 37. Rubidi là một kim loại kiềm rất mềm, có màu trắng xám, giống với kali hay natri. Rubidi cũng là kim loại kiềm đầu tiên trong nhóm có khối lượng riêng nặng hơn nước. Trên Trái Đất, rubidi trong tự nhiên xuất hiện ở hai đồng vị: 72% là đồng vị bền 85Rb, và 28% còn lại là đồng vị phóng xạ 87Rb, với chu kì bán rã là 48,8 tỉ năm - gấp ba lần tuổi của vũ trụ.
Hai nhà hóa học người Đức Robert Bunsen và Gustav Kichhoff đã phát hiện ra rubidi vào năm 1861 với kĩ thuật quang phổ phát xạ nguyên tử mới được phát triển khi đó. Tên của nguyên tố này tới từ cụm từ tiếng Latin "rubidius" với nghĩa đỏ đậm - màu sắc của quang phổ phát xạ nguyên tử của nó. Các hợp chất của rubidi có nhiều ứng dụng trong hóa học và điện từ học. Bản thân rubidi rất dễ hóa hơi và có dải phổ hấp thụ thuận lợi, khiến kim loại này thường xuyên trở thành mục tiêu để điều khiển nguyên tử bằng laser. Rubidi không phải nguyên tố khoáng quan trọng với bất cứ sinh vật sống nào, tuy nhiên ion của rubidi có tính chất tương tự với ion của kali, và trong các sinh vật nhân thực được hấp thụ và xử lý theo cách tương tự ion của kali.
Đặc trưng.
Rubidi là một kim loại màu trắng xám, mềm và dẻo. Rubidi là nguyên tố có độ âm điện đứng thứ hai trong số các kim loại kiềm ổn định (sau caesi, do franci là nguyên tố phóng xạ), hóa lỏng ở nhiệt độ 39,3 °C (102,7 °F). Giống như các kim loại kiềm khác, kim loại này phản ứng dữ dội với nước, phản ứng này mãnh liệt tới mức đủ để đốt cháy hidro được tạo ra từ chính phản ứng. Rubidi cũng được ghi nhận có khả năng cháy khi để trong không khí. Nó tạo ra hỗn hống với thủy ngân và tạo hợp kim với vàng, sắt, caesi, natri, và kali, nhưng không tạo hợp kim với lithi (mặc dù rubidi và lithi cùng một nhóm). Rubidi có năng lượng ion hóa rất thấp, chỉ khoảng 406 kJ/mol. Rubidi và kali khi cháy có màu tím rất giống nhau, do đó cần phải thực hiện các phép thử bằng quang phổ để phân biệt chúng.
Hợp chất.
Rubidi chloride (RbCl) là hợp chất được sử dụng phổ biến nhất của rubidi; nó được sử dụng trong sinh hóa để làm cho các tế bào bắt DNA và chất sinh học đánh dấu vì nó sẵn sàng giữ và thay thế kali, và có mặt ở một lượng nhỏ trong sinh vật sống. Các hơp chất phổ biến khác của rubidi như rubidi hydroxide ăn mòn (RbOH), vật liệu ban đầu cho hầu hết các quá trình hóa học gốc từ rubidi; rubidi carbonat (Rb2CO3), được sử dụng trong một số thủy tinh quang học, và rubidi đồng sunphat, Rb2SO4·CuSO4·6H2O. Rubidi bạc iodide (RbAg4I5) là chất bán dẫn ở nhiệt độ phòng cao nhất trong bất kỳ tinh thể ion đã biết, từ đó được sử dụng trong các pin phim mỏng và nhiều ứng dụng khác.
Rubidi có nhiều oxide như rubidi monoxide (Rb2O), Rb6O và Rb9O2, được tạo thành khi kim loại rubidi tiếp xúc với không khí; rubidi trong môi trường có nhiều oxy tạo thành superoxide RbO2. Rubidi tạo muối với các halogen như rubidi fluoride, rubidi chloride, rubidi bromide, và rubidi iodide.
Đồng vị.
Rubidi có 24 đồng vị đã biết với rubidi nguồn gốc tự nhiên chỉ là hỗn hợp của 2 đồng vị là Rb85 (72,2%) và Rb87 (27,8%, có tính phóng xạ). Hỗn hợp thông thường của rubidi có tính phóng xạ nhẹ (khoảng 670 Bq/g), đủ để làm mờ các cuộn phim trong khoảng thời gian 110 ngày.
Rb87 có chu kỳ bán rã là 4,88×1010 năm, gấp 3 lần tuổi của vũ trụ. Nó dễ dàng thay thế cho kali trong các khoáng vật, và vì thế là tương đối phổ biến. Rb đã từng được sử dụng nhiều trong xác định niên đại đá; Rb87 phân rã thành stronti87 ổn định bằng cách bức xạ một hạt beta âm. Trong kết tinh phân đoạn, stronti có xu hướng tích lũy trong plagioclase, để lại rubidi trong pha lỏng. Vì vậy, tỷ lệ Rb/Sr trong macma còn sót lại có thể tăng lên theo thời gian, tạo ra trong các loại đá với các tỷ lệ Rb/Sr tăng lên, phụ thuộc vào sự phân dị mácma. Các tỷ lệ cao (10 hay hơn thế) có trong pecmatit. Nếu như lượng stronti ban đầu là đã biết hay có thể ngoại suy ra được thì niên đại của đá có thể xác định bằng cách đo hàm lượng Rb và Sr cũng như tỷ lệ của Sr87/Sr86. Niên đại chỉ có thể chỉ ra chính xác tuổi của khoáng vật nếu như đá đó không bị biến đổi sau này. Xem cụ thể tại bài Xác định niên đại bằng Rubidi-Stronti để có thêm chi tiết.
Phổ biến.
Nguyên tố này được coi là đứng thứ 23 trong số các nguyên tố phổ biến nhất trong lớp vỏ Trái Đất. Trong tự nhiên, nó có mặt trong các khoáng vật như leucit, pollucit và zinnwaldit, trong đó có chứa tới 1% oxide của nó. Lepidolit chứa khoảng 0,3% đến 3,5% rubidi và đây là nguồn thương mại của nguyên tố này. Một số khoáng vật của kali và chloride kali cũng chứa rubidi với khối lượng đáng kể về mặt thương mại. Nước biển chứa trung bình125 µg/L rubidi cao hơn nhiều so với kali 408 mg/L và thấp hơn giá trị của casei 0,3 µg/L.
Do có bán kính ion lớn nên rubidi là một nguyên tố không tương hợp." Trong quá trình kết tinh phân đoạn mácma, rubidi tập hợp cùng với nguyên tố tương đồng và nặng hơn nó là caesi trong pha lỏng và kết tinh sau cùng. Do vậy, các mỏ rubidi và caesi lớn nhất là các thân quặng trong đới pecmatit được làm giàu qua quá trình này. Do rubidi thay thế vị trí của kali trong kết tinh mácma, quá trình làm giàu ít ảnh hưởng đến trường hợp của caesi. Các thân quặng trong đới pegmatit chứa một lượng khoáng vật caesi ở dạng pollucit hay các khoáng vật lithi như lepidolit, loại này là một sản phẩm phụ cung cấp rubidi.
Hai nguồn nguồn rubidi đáng chú ý là trong các trầm tích của pollucit tại hồ Bernic, Manitoba, Canada, và rubiclin ((Rb,K)AlSi3O8) được tìm thấy ở dạng tạp chất trong pollucit trên đảo Elba của Ý, với hàm lương rubidi đạt 17,5%. Cả hai nguồn này cũng là nguồn cung cấp caesi.
Lịch sử.
Rubidi (từ tiếng Latinh "rubidus", đỏ thẫm) được Robert Bunsen và Gustav Kirchhoff phát hiện năm 1861 trong khoáng vật lepidolit bằng cách sử dụng phương pháp phân tích quang phổ. Do nó cho ra các vạch đỏ tươi trong quang phổ phát xạ của nó, chúng được chọn tên có nguồn gốc từ tiếng Latinh "rubidus", nghĩa là "đỏ thẫm".
Rubidi có mặt với lượng nhỏ trong lepidolit. Kirchhoff và Bunsen đã xử lý 150 kg lepidolit nhưng chỉ chứa 0,24% rubidi oxide (Rb2O). Cả kali và rubidi đều tạo thành các muối không tan với acid cloroplatinic, nhưng các muối này thể nhiệt mức độ hòa tan hơi khác nhau trong nước nóng. Vì thế, rubidi hexachloroplatinat (Rb2PtCl6) ít tan hơn có thể thu được bằng kết tinh phân đoạn. Sau khi khử hexachloroplatinat với hydro, quá trình này tạo ra 0,51 gram rubidi chloride cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc cô lập các hợp chất caesi và rubidi quy mô lớn đầu tiên được tiến hành trên 44.000 lit nước khoáng được thực hiện bởi Bunsen và Kirchhoff, tạo ra 7,3 gram caesi chloride, 9,2 gram rubidi chloride. Rubidi là nguyên tố thứ hai, sau caesi được phát hiện trong quang phổ, chỉ một năm sau khi phát minh ra kính quang phổ bởi Bunsen và Kirchhoff.
Hai nhà khoa học đã sử dụng rubidi chloride thu được để ước tính khối lượng nguyên tử của nguyên tố mới là 85,36 (giá trị hiện nay được chấp nhận là 85,47). Họ đã cố gắng tạo ra rubidi nguyên tố bằng cách điện phân nóng chảy rubidi chloride, nhưng thay vì ra được kim loại thì họ nhận được một chất đồng nhất màu xanh theo đó "nhìn bằng mắt thường hoặc kính hiển vi cũng không thấy kim loại ở dạng vết." Họ đặt cho nó là một subchlorua (); tuy nhiên, sản phẩm này có thể là một hỗn hợp colloid của kim loại và rubidi chloride. Lần thử thứ hai để tạo ra kim loại rubidi, Bunsen đã có thể khử rubidi bằng cách nung cháy rubidi tartrat. Mặc dù rubidi được chưng cất là một pyrophoric, nên có thể xác định tỷ trọng và điểm nóng chảy của rubidi. Chất lượng của nghiên cứu được thực hiện trọng thập niên 1860 có thể được thẩm định bởi sự thật rằng tỉ trọng được xác định của chúng khác nhau dưới 0,1 g/cm³ và điểm nóng chảy nhỏ hơn 1 °C theo giá trị hiện được chấp nhận.
Tính phóng xạ nhẹ của rubidi đã được phát hiện năm 1908, trước khi lý thuyết về đồng vị được xác lập vào thập niên 1910 và hoạt tính thấp là do chu kỳ bán rã dài của nó trên 1010 năm nên việc giải đoán trở nên phức tạp. Phân rã 87Rb hiện nay được chứng minh đối với cặp đồng vị bền 87Sr qua quá trình phân rã beta vẫn được thảo luận vào cuối thập niên 1940.
Tuy nhiên, nguyên tố này chỉ có các ứng dụng công nghiệp tối thiểu cho tới tận thập niên 1920. Kể từ đó, ứng dụng quan trọng nhất của rubidi là trong nghiên cứu và phát triển, chủ yếu là các ứng dụng hóa và điện tử. Năm 1995, rubidi-87 đã được sử dụng để tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein, với những phát hiện này, Eric Allin Cornell, Carl Edwin Wieman và Wolfgang Ketterle đã giành giải Nobel vật lý năm 2001.
Điều chế.
Mặc dù rubidi phong phú trong vỏ Trái Đất hơn caesi, các ứng dụng hạn chế của nó và thiếu các nguồn quặng giàu rubidi nên việc sản xuất rubidi rất hạn chế, chỉ đạt khoảng 2 đến 4 tấn mỗi năm. Nhiều phương pháp hiện đã được áp dụng để tách rubidi, kali và caesi. Kết tinh phân đoạn của rubidi và caesi (Cs,Rb)Al(SO4)2·12H2O tải qua sau 30 bước để có rubidi tinh khiết. Hai phương pháp khác cũng đã được xem xét là clorostannat và ferrocyanua.
Trong nhiều năm trong khoảng thập niên 1950 đến 1960, một sản phẩm phụ trong khai thác kali được gọi là Alkarb là một nguồn cung cấp rubidi chính. Alkarb chứa 21% rubidi, với phần còn lại là kali và một tỉ lệ nhỏ caesi. Ngày ngay các nhà sản xuất caesi lớn nhất như Tanco Mine, Manitoba, Canada, sản xuất ra rubidi ở dạng sản phẩm phụ từ pollucit.
Sử dụng.
Các sử dụng hiện tại hay tiềm năng của rubidi là:
Rubidi rất dễ bị ion hóa, vì thế nó được xem xét để sử dụng trong các động cơ ion cho tàu vũ trụ (nhưng caesi và xenon có hiệu quả cao hơn cho mục đích này).
Các hợp chất của rubidi đôi khi cũng được sử dụng trong pháo hoa để tạo cho nó màu tím.
RbAg4I5 có độ dẫn điện ở nhiệt độ phòng là cao nhất trong số các tinh thể ion đã biết. Thuộc tính này có thể là hữu ích trong các loại pin màng mỏng và trong các ứng dụng điện khác.
Rubidi cũng được xem xét để sử dụng trong các máy phát điện dựa trên hiện tượng nhiệt điện sử dụng nguyên lý từ thủy động lực học, trong đó các ion rubidi được tạo ra bằng cách đốt nóng ở nhiệt độ cao và cho di chuyển qua từ trường. Các ion này dẫn điện và đóng vai trò tương tự như của phần ứng điện trong máy phát điện, vì thế sinh ra dòng điện.
Rubidi, cụ thể là Rb87, trong dạng hơi, là một trong các dạng nguyên tử được sử dụng rộng rãi nhất trong làm mát laser và ngưng tụ Bose-Einstein. Các đặc trưng mong muốn của nó cho các ứng dụng này bao gồm khả năng sẵn có để dùng của ánh sáng diode laser không đắt tiền ở bước sóng thích hợp cũng như nhiệt độ vừa phải cần phải có để thu được các áp suất hơi đáng kể.
Rubidi cũng đã từng được dùng để phân cực He3 (nghĩa là tạo ra một thể tích của khí He3 đã từ hóa, với các spin hạt nhân hướng về phía một hướng cụ thể nào đó trong không gian, thay vì ngẫu nhiên). Hơi rubidi được kích thích quang học bởi laser và Rb đã phân cực sẽ phân cực He3 bằng tương tác hyperfine, các tế bào He3 phân cực spin đang trở thành phổ biến cho các phép đo sự phân cực neutron cũng như để sản xuất các chùm neutron phân cực cho các mục đích khác.
Cảnh báo và hiệu ứng sinh học.
Rubidi phản ứng mạnh với nước và có thể gây cháy. Để đảm bảo an toàn và độ tinh khiết của nó, rubidi cần được bảo quản trong dầu khoáng khô, trong chân không hay trong môi trường của các khí trơ. Rubidi tạo thành các peroxide khi tiếp xúc với một lượng không khí nhỏ khi khuếch tán vào trong dầu, và do đó những cảnh báo về peroxide tương tự như lưu trữ kim loại kali.
Rubidi, tương tự như natri và kali, gần như luôn luôn có trạng thái oxy hóa +1. Cơ thể người có xu hướng coi các ion Rb+ như là các ion kali, và vì thế tích lũy rubidi trong chất điện giải của cơ thể. Các ion rubidi nói chung là không độc hại; một người cân nặng 70 kg chứa trung bình khoảng 0,36 g rubidi, và giá trị này tăng lên 50 đến 100 lần không thể hiện các hiệu ứng tiêu cực ở những người tham gia thử nghiệm. Chu kỳ bán rã sinh học của rubidi ở người là 31–46 ngày. Mặc dù một phần bị thay thế kali bởi rubidi là có khả năng, những con chuột có hơn 50% kali bị thay thế trong các tế bào thì bị chết.