Rubidium

**銣**（拼音：rú，注音：ㄖㄨˊ；英語：Rubidium），是一種化學元素，化學符號為 **Rb**，原子序數為 37，原子量為 85.4678 u。銣是種質軟、呈銀白色的金屬，屬於鹼金屬。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雷射操控技術上。

銣有已知的生物功用。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。

## 歷史

1861 年，羅伯特・威廉・本生和古斯塔夫・基爾霍夫在德國海德堡，利用光譜儀在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。

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。用氫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。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。

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）。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 
2Cl），不過它其實更可能是銣金屬和氯化銣的膠體狀混合物。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。

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。

1920 年代以前，銣還沒有工業用途。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・威曼和沃爾夫岡・克特勒用銣 - 87 實現了玻色–愛因斯坦凝聚，並因此獲得了 2001 年的諾貝爾物理學獎。

## 性質

銣是一種質軟、可塑性高的銀白色金屬。在所有非放射性鹼金屬元素中，銣的電正性排行第二。其熔點為 39.3 °C。銣金屬會在水中劇烈反應，它會和汞產生汞齊，並且會和金、鐵、銫、鈉和鉀形成合金（但不會和鋰形成合金，儘管鋰和銣同屬鹼金屬）。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。銣的電離能很低，只有 406 kJ/mol。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。

銣的氧化物有若干種，包括氧化銣（Rb2O）、Rb6O 和 Rb9O2，後兩種低氧化物可以在空氣中燃燒。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）。銣和鹵素形成鹽，例如氟化銣、氯化銣、溴化銣及碘化銣等。

### 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%）。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。除 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。

銣 - 87 的半衰期為 48.8×109 年，這是宇宙年齡 13.798×109 年的三倍有餘。它是一種原生核素，在地球形成時便已存在。在礦物中，銣常會代替鉀元素的位置，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。

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 天。銣 - 82 會再經正電子發射衰變為穩定的氪 - 82，半衰期為 76 秒。

### 存量

銣在地球地殼中的豐度在所有元素中排第 23 位，與鋅相近，比銅更常見。它自然出現在白榴石、銫榴石、光鹵石和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。某些含鉀礦物和氯化鉀都會含有不少的銣元素，有商業開採價值。

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）。銣是海水中第 18 豐富的元素。

由於離子半徑較大，所以銣屬於所謂的「不相容成分」。在熔岩結晶過程中，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鉀的位置，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。

銣的主要礦藏包括：位於加拿大曼尼托巴省伯尼克湖的銫榴石礦藏，以及義大利厄爾巴島上的銣長石（(Rb,K) AlSi3O8）礦藏，其銣含量高達 17.5%。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。分離鉀、銣和銫的方法有若干種。對銣礬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。

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。如今，銣是銫開採過程中的一種副產品，加拿大曼尼托巴省的銫榴石礦就是其中一例。

## 應用

銣化合物有時會被添加在煙花當中，使它發出紫光。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，作用就像發電機中的電樞，因而產生電流。用它製成的雷射二極體價廉，且雷射波長範圍適宜，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）是雷射冷卻和玻色–愛因斯坦凝聚應用上最常用的一種原子。

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。雷射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。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。

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準、成本更低的「主頻率標準」。這種銣頻率標準在電信工業中有大規模的生產。

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。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。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。

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。由於腦腫瘤的血腦屏障有所變異，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。

科學家曾做過實驗，以研究銣對患有躁鬱症和抑鬱症的病人有何影響。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。在某些試驗中，病人須連續 60 天攝入 720 mg 的氯化銣。

## 安全

銣金屬會和水發生劇烈的反應，甚至會爆炸；即使放在煤油中，也會緩慢反應，並被溶解的少量氧給氧化。因此，銣一般保存在真空安瓿或充有稀有氣體（如氬氣）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。

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。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。銣在人體內的生物半衰期為 31 至 46 天。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。

## 參考資料

## 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). [2014-12-17]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2013-11-02）.

## 外部連結

* 元素銣在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 銣（英文）
* 元素銣在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素銣在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 銣（英文）
* Rubidium （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） at _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）