铷

铷是一种化学元素，化学符号为铷，原子序数为37，原子量为85.4678u。铷是一种银白色、非常柔软的金属，属于碱金属，性质与其他碱金属相似，且是碱金族中第一个密度大于水的元素。单质铷的反应性极高，在空气中会迅速氧化并冒烟，甚至能够自燃，遇水会剧烈反应放出氢气。天然存在的铷元素由两种同位素组成：占比72%的85Rb是铷唯一的稳定同位素；占比28%的87Rb具微放射性，其半衰期长达490亿年，超过宇宙年龄的三倍。

德国化学家罗伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基尔霍夫于1861年利用当时的新技术火焰光谱法发现了铷元素。其名称rubidium源自拉丁语rubidus，意为深红色，是铷元素发射光谱之特征谱线的颜色。

尽管地壳中铷的含量比铯丰富得多，甚至超过铜等常见金属，但铷分布稀散，本身没有独立矿床，主要为开采锂和铯的副产品产出，且年产量非常有限。产能的限制使得铷化合物价格昂贵，再加上性质相似的铯比铷具有更强的电正性，故产业上铯的应用领域比铷更加广泛。铷化合物主要用于化学和电子范畴的研究和开发，铷也被用于高精度原子钟、特种玻璃、催化剂等领域。此外，铷金属能够轻易气化，而且它有特殊的吸收光谱范围，所以常被用在原子的激光操控技术上。

铷没有已知的生理功用，但生物体对铷离子的处理机制和钾离子相似，因此铷离子会被主动运输到植物和动物细胞中。铷的化学毒性很低，有研究显示将生物体中少部分的钾离子替换为铷离子并不会产生任何显著的负面影响。不过铷金属会和水发生爆炸性的剧烈反应，能够引发火灾，故属于危险化学品。

## 历史

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1861年，罗伯特·威廉·本生和古斯塔夫·基尔霍夫在德国海德堡，利用光谱仪在锂云母中发现了铷元素。由于其发射光谱呈现出多条鲜明的红线，所以他们选择了拉丁文中意为“深红色”的“rubidus”一词为它命名。

铷是锂云母中的一种次要成分。基尔霍夫和本生所处理的150公斤锂云母中，只含有0.24%的氧化铷（Rb2O）。钾和铷都会和氯铂酸形成不可溶盐，但在热水中，两种盐的可溶性有小许差异。可溶性稍低的六氯铂酸铷（Rb2PtCl6）可以经分级结晶的方法取得。用氢对六氯铂酸铷进行还原后，基尔霍夫和本生获得了0.51克的氯化铷。两人之后对铷和铯进行的首次大型萃取工序用到了4万4千升矿物水，并一共提取出7.3克氯化铯和9.2克氯化铷。基尔霍夫和本生在发明光谱仪仅仅一年后就发现了铷元素。铷因此成为继铯以后第二个通过光谱学方法发现的元素。

两人用提取出的氯化铷来估计铷的原子量，得出的数值为85.36（目前受认可的数值为85.47）。他们试图对熔融氯化铷进行电解以取得单质铷，但他们取得了一种蓝色的均匀物质，且“无论在肉眼还是显微镜下都无法看出丝毫的金属成分”。他们推测这种物质是低价氯化铷（Rb2Cl），不过它其实更可能是铷金属和氯化铷的胶体状混合物。之后，本生进行了第二次尝试，对炭化了的酒石酸铷加热，成功还原了铷金属。尽管蒸馏出的铷会在空气中自燃，但本生仍能够测量出铷的密度和熔点。1860年代所取得的密度值，与今天认可的数值只相差0.1 g/cm3，熔点值的偏差也在1 °C以内。

科学家在1908年发现了铷的微放射性，但同位素理论在1910年代才被建立起来，加上放射性铷的半衰期超过1010年，所以当时对这一现象的解释尤为困难。有关铷的衰变方式的争论一直持续到1940年代末。目前已证实，87Rb会经β衰变成为稳定的87Sr。

1920年代以前，铷还没有工业用途。此后，铷的最大应用在于化学和电子领域的科学研究和高新技术开发。1995年，埃里克·康奈尔、卡尔·埃德温·威曼和沃尔夫冈·克特勒用铷-87实现了玻色–爱因斯坦凝聚，并因此获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

## 性质

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铷是一种质地非常柔软、富延展性、可塑性高的银白色金属。在所有非放射性碱金属元素中，铷的电正性排行第二。其熔点为39.3 °C。铷金属会在水中剧烈反应，它会和汞产生汞齐，并且会和金、铁、铯、钠和钾形成合金（但不会和锂形成合金，尽管锂和铷同属碱金属）。与反应性稍低的钾和反应性稍高的铯一样，铷和水所产生的剧烈反应通常足以燃起所释放出来的氢气。它也可以在空气中自燃。铷的电离能很低，只有406 kJ/mol。铷在焰色测试中会发出紫色，和钾非常相似，所以要用到光谱学技术才能将两者分辨开来。

### 化合物

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氯化铷（RbCl）是最常用的铷化合物之一。在生物化学中，它可以用来促使细胞吸取DNA。由于生物体内的铷极少，且铷会被活细胞吸收而代替钾，所以它能用作一种生物标记物。氢氧化铷（RbOH）具有腐蚀性，能作为大部分用到铷的化学反应的初始化合物。其他铷化合物还包括用在某些眼镜镜片中的碳酸铷（Rb2CO3），以及硫酸铷铜（Rb2SO4·CuSO4·6H2O）等。碘化铷银（RbAg4I5）是所有已知离子晶体中，室温电导率最高的。在制造薄膜电池时可以利用这一属性。

铷的氧化物有若干种，包括氧化铷（Rb2O）和Rb6O、Rb9O2等低氧化铷，后两种低氧化物可以在空气中燃烧。铷暴露在空气中即会产生这些氧化物。在氧气过剩的环境下，则会形成超氧化物（RbO2）。铷能和卤素形成盐，例如氟化铷、氯化铷、溴化铷及碘化铷等。

### 同位素

自然界中的铷元素由两种同位素组成：稳定的85Rb（占72.2%）以及长寿放射性同位素87Rb（占27.8%），故铷是一种单一同位素元素（即只有一种稳定同位素）。87Rb的存在使得自然界中的铷具有放射性，比活性约为670 Bq/g。这样的辐射水平可以在110天内于照相底片上留下影像。除85Rb和87Rb之外，还有30种人造的铷同位素，它们都具有放射性，且半衰期都在3个月以内。

铷-87的半衰期为48.8×10^9年，这是宇宙年龄13.798×10^9年的三倍有余。它是一种原生核素，在地球形成时便已存在。在矿物中，铷常会代替钾元素的位置，所以其分布广泛。87Rb在释放一个负β粒子之后，会衰变成稳定的87Sr，这可以用于测定岩石的年龄。在地球内部的分级结晶过程中，锶会集中在斜长石中，留下处于液态的铷。因此，在残余岩浆中铷对锶的比例会随时间增加，经活成分异作用形成铷/锶比例较高的岩石。伟晶岩中的铷/锶比例最高（10以上）。如果可以测得或推算出最初的锶含量，那么通过测量目前铷和锶的含量以及87Sr/86Sr比例，就可以算出该岩石样本的年龄。这一年龄只有在岩石不曾受变动的情况下才等于真实的年龄值。

铷-82是铷的人造同位素之一，可经锶-82的电子捕获衰变过程产生，反应的半衰期为25.36天。铷-82会再经正电子发射衰变为稳定的氪-82，半衰期为76秒。

### 存量

铷在地球地壳中的丰度在所有元素中排第23位，与锌相近，比铜更常见。铷罕有独立矿物，而是主要伴生在白榴石、铯榴石、光卤石、锂云母和铁锂云母等矿物之中，氧化铷大约占这些矿物的1%。锂云母中的铷含量在0.3%和3.5%之间，是铷的主要商业来源。某些含钾矿物和氯化钾都会含有不少的铷元素，有商业开采价值。

铷在海水中的浓度平均为125 µg/L。相比之下，钾的浓度则高得多（408 mg/L），铯则低得多（0.3 µg/L）。铷是海水中第18丰富的元素。

由于离子半径较大，所以铷和更重的同族元素铯属于所谓的“不相容成分”。在熔岩结晶过程中，铷和铯聚集在一起，处于液态，是最后一个结晶的成分。因此，含有铷和铯的最大矿藏，都是经由这种浓缩过程所形成的伟晶岩矿带。然而，由于铷会在结晶时代替钾的位置，分散到各种含钾矿物中，所以其浓缩、富集的程度远低于铯，故富含铷的矿石非常罕见。从含有铯榴石的伟晶岩中可开采出铯，从锂云母中可开采出锂，过程中也会产生铷作为副产品。

铷的知名矿藏包括：位于加拿大曼尼托巴省伯尼克湖的富铷铯榴石矿藏，以及意大利厄尔巴岛上的铷微斜长石（(Rb,K)AlSi3O8）矿藏，其铷含量高达17.5%。

## 生产

虽然铷在地壳中比铯更常见，但由于缺乏富铷矿物，加上其应用不广，所以各种铷化合物的年产量只有2至4吨。分离钾、铷和铯的方法有若干种。对铷矾和铯矾重复进行分级结晶，30次以后便可获得纯铷矾。另外两种方法分别利用氯锡酸盐和亚铁氢化物。

1950至1960年代，钾生产过程中一种称为“Alkarb”的副产品曾经是铷元素的主要来源。Alkarb含21%的铷，其余大部分是钾，另有少量铯。如今，铷是铯开采过程中的一种副产品，加拿大曼尼托巴省的铯榴石矿就是其中一例。

## 应用

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由于铷和铯具有相似的物化性质和原子半径，因此二者的下游应用类似，在多数领域中可以相互替代使用。但由于铷产量较低、价格高昂，且铯具有比铷更强的电正性，使得大多数产业中铯产品的竞争力远高于铷产品。

铷化合物有时会被添加在烟花当中，使它发出紫光。铷可以用在磁流体发动机和热传导发电机中：高温下形成的铷离子经过磁场，作用就像发电机中的电枢，因而产生电流。用它制成的激光二极管价廉，且激光波长范围适宜，维持高蒸气压所需的温度也在中等范围内，所以铷（特别是87Rb）是激光冷却和玻色–爱因斯坦凝聚应用上最常用的一种原子。

科学家曾用铷对3He进行极化，这样产生的3He气体拥有单一方向，而不是随机方向的核自旋。激光对铷气体进行光抽运，极化了的铷就会通过超精细交互作用使3He极化。这样自旋极化了的3He气体可以用在中子极化测量中，或用于制造极化中子作其他用途。

原子钟的共振元件可以利用铷的能级的超精细结构，因此铷已被应用在高精度计时上。全球定位系统（GPS）常利用铷频率标准来生成一个比铯频率标准更精准、成本更低的“主频率标准”。这种铷频率标准在电信工业中有大规模的生产。

铷的其他潜在应用包括：蒸汽涡轮中的工作流体、真空管中的吸气剂以及光度感应器元件等。铷是一些特殊玻璃的成分，也可用于制造超氧化物。它能够在细胞中代替钾的位置，所以能被用来研究离子通道。铷气体还被用于原子磁强计中。科学家正在用87Rb，连同其他碱金属，来开发无自旋交换弛豫（SERF）原子磁强计。

铷-82可用于正电子发射电脑断层扫描。铷和钾相似，所以含有大量钾的生物组织也会积聚具放射性的铷元素。这一原理主要应用在心肌灌注成像。铷-82的半衰期只有76秒，所以必须从靠近病人的锶-82衰变而得。由于脑肿瘤的血脑屏障有所变异，所以肿瘤会比正常脑组织更容易积累铷。核医学可以利用这一原理对肿瘤进行定位和照相。

科学家曾做过实验，以研究铷对患有躁郁症和抑郁症的病人有何影响。透析治疗期间患上抑郁症的病人体内缺少铷，所以补充铷元素可能可以舒缓抑郁症。在某些试验中，病人须连续60天摄入720 mg的氯化铷。

## 安全

铷金属会和水发生剧烈的反应，甚至会爆炸；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。只要接触到少许的空气，包括渗入油中的氧气，铷就会变成过氧化铷。因此它的安全措施和钾金属相似。

与钠和钾一样，铷溶在水中的时候几乎永远呈+1氧化态，在所有生物体内的铷也一样。Rb+离子在人的体内似乎和钾离子无异，所以主要积聚在细胞内液中。铷离子并没有明显的毒性：一个70公斤重的人体内平均含有0.36克的铷，而在这一数值提升50甚至100倍之后，也没有对试验对象造成任何明显的负面影响。铷在人体内的生物半衰期为31至46天。在老鼠身上进行的实验指出，如果体内一小部分钾替换成铷，身体是能够承受的，但一旦肌肉组织内一半的钾都换成铷，老鼠便会死亡。

## 延伸阅读

- Meites, Louis (1963). Handbook of Analytical Chemistry (New York: McGraw-Hill Book Company, 1963)

## 外部链接

- Rubidium at The Periodic Table of Videos（诺丁汉大学）

## 基本资料

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- PPhrases：223
- NFPA-H：3
- NFPA-F：4
- NFPA-R：2
- NFPA-O：W