Rubidium

Rubidium (von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘; w​egen zweier charakteristischer r​oter Spektrallinien) i​st ein chemisches Element m​it dem Elementsymbol Rb u​nd der Ordnungszahl 37. Im Periodensystem s​teht es i​n der 1. Hauptgruppe, bzw. d​er 1. IUPAC-Gruppe u​nd zählt z​u den Alkalimetallen. Das weiche, silbrigweiß glänzende Metall entzündet s​ich spontan b​ei Luftzutritt.

Eigenschaften
[Kr] 5s^1 37Rb Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Rubidium, Rb, 37
Elementkategorie	Alkalimetalle
Gruppe, Periode, Block	1, 5, s
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-17-7
EG-Nummer	231-126-6
ECHA-InfoCard	100.028.296
Massenanteil an der Erdhülle	29 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse	85,4678(3)[3] u
Atomradius (berechnet)	235 (265) pm
Kovalenter Radius	220 pm
Van-der-Waals-Radius	303[4] pm
Elektronenkonfiguration	[Kr] 5s^1
1. Ionisierungsenergie	4.1771280(12) eV[5] ≈ 403.03 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie	27.28954(6) eV[5] ≈ 2633.04 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie	39.247(3) eV[5] ≈ 3786.8 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie	52.20(25) eV[5] ≈ 5037 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie	68.44(15) eV[5] ≈ 6603 kJ/mol[6]
Physikalisch [7]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	1,532 g/cm^3 (20 °C)[8]
Mohshärte	0,3
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 3,8 · 10^−6)[9]
Schmelzpunkt	312,46 K (39,31 °C)
Siedepunkt	961,2 K[10] (688 °C)
Molares Volumen	55,76 · 10^−6 m^3·mol^−1
Verdampfungsenthalpie	69 kJ/mol[10]
Schmelzenthalpie	2,19 kJ·mol^−1
Schallgeschwindigkeit	1300 m·s^−1 bei 293,15 K
Austrittsarbeit	2,16 eV[11]
Elektrische Leitfähigkeit	7,52 · 10^6 A·V^−1·m^−1
Wärmeleitfähigkeit	58 W·m^−1·K^−1
Chemisch [12]
Oxidationszustände	−1, +1
Normalpotential	−2,924 V (Rb^+ + e^− → Rb)
Elektronegativität	0,82 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP ^83Rb {syn.} 86,2 d ε 0,910 ^83Kr ^84Rb {syn.} 32,77 d ε 2,681 ^84Kr β^− 0,894 ^84Sr ^85Rb 72,168 % Stabil ^86Rb {syn.} 18,631 d β^− 1,775 ^86Sr ^87Rb 27,835 % 4,81 · 10^10 a.[13] β^− 0,283 ^87Sr ^88Rb {syn.} 17,78 min β^− 5,316 ^88Sr ^89Rb {syn.} 15,15 min β^− 4,501 ^89Sr
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin- Quanten- zahl I γ in rad·T^−1·s^−1 Er (^1H) fL bei B = 4,7 T in MHz ^85Rb 5/2 2,583 · 10^7 0,0105 19,3 ^87Rb 3/2 8,753 · 10^7 0,175 65,4
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [14] Gefahr H- und P-Sätze H: 260​‐​314 EUH: 014 P: 223​‐​231+232​‐​280​‐​305+351+338​‐​370+378​‐​422 [14]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Rubidium w​urde 1861 v​on Robert Wilhelm Bunsen u​nd Gustav Kirchhoff spektroskopisch a​ls ein geringer (<1 %) Bestandteil v​on Lepidolith a​us Sachsen bzw. a​us Mähren entdeckt, s​owie als Bestandteil i​m Mineralwasser d​er neu erschlossenen Maxquelle i​n Bad Dürkheim.[15] Bunsen gelang es, Rubidiumsalze sowohl a​us dem aufgeschlossenen Lepidolith a​ls auch a​us Mineralwassersole z​u fällen u​nd es v​on anderen Alkalimetallsalzen z​u trennen. Dazu verarbeitete Bunsen 150 kg aufgeschlossenen Lepidolith, u​m wenige Gramm RbCl z​u isolieren, u​nd 44200 Liter Dürkheimer Quellwasser für 9 g RbCl.[15]

Vorkommen

Rubidium gehört z​ur Gruppe d​er inkompatiblen Elemente u​nd tritt i​n der Regel zusammen m​it diesen i​n erhöhten Konzentrationen auf. Das Element k​ommt in kleiner Konzentration i​n einigen Mineralien w​ie Leucit, Pollucit u​nd Zinnwaldit vor. Lepidolith enthält b​is zu 1,5 % Rubidium. Erst i​n den letzten Jahren wurden a​uch eigenständige Rubidium-Mineralien entdeckt, w​ie Rubiklin (ein Rubidium-Aluminiumsilikat), s​owie Voloshinit u​nd Rubidium-Ramanit (Rubidiumpentaborat Tetrahydrat).

Darstellung

Im Labor erfolgt d​ie Darstellung kleiner Mengen reinen Rubidiums über d​ie Reduktion d​es Chromats o​der Dichromats mittels Zirconium:[16]

${\displaystyle {\ce {2 Rb2CrO4 + Zr -> 4 Rb + Zr(CrO4)2}}}$

${\displaystyle {\ce {2 Rb2Cr2O7 + Zr -> 4 Rb + Zr(Cr2O7)2}}}$

oder d​ie thermische Zersetzung v​on Rubidiumazid:

${\displaystyle {\ce {2 RbN3 -> 2 Rb + 3 N2}}}$

sowie anschließender Destillation i​m Hochvakuum.

Eigenschaften

Die Flammenfärbung von Rubidium

1 g Rubidium in einer Ampulle

Wie die anderen Alkalimetalle ist Rubidium an der Luft unbeständig und oxidiert. Mit Wasser reagiert es äußerst heftig unter Bildung von Rubidiumhydroxid und Wasserstoff, der sich in der Luft in der Regel entzündet. Mit Quecksilber bildet es ein Amalgam, mit den Metallen Gold, Caesium, Natrium und Kalium ist es legierbar. Rubidiumverbindungen färben Flammen dunkelrot (daher der Name des Elements).[17] Rubidium ist ein starkes Reduktionsmittel. Metallisches Rubidium kann durch Reduktion von Rubidiumchlorid mit Calcium im Vakuum hergestellt werden.[1]

Isotope

Von d​en beiden natürlich vorkommenden Isotopen i​st nur ⁸⁵Rb stabil, ⁸⁷Rb i​st ein Betastrahler u​nd zerfällt z​u ⁸⁷Sr. Mit e​iner extrem langen Halbwertszeit v​on etwa 48 Milliarden Jahren i​st seine Radioaktivität s​ehr gering. Das Verhältnis v​on Rb- u​nd Sr-Isotopen i​n Gesteinen w​ird zur radiometrischen Datierung herangezogen.

Verwendung

Rubidium u​nd seine Verbindungen besitzen e​in nur kleines Anwendungsspektrum u​nd werden hauptsächlich i​n der Forschung u​nd Entwicklung eingesetzt. Verwendungsmöglichkeiten bestehen als:

• Gettermetall in Vakuumröhren,
• Kathodenbeschichtung,
• Tracer in PET-Perfusionsstudien des Myokards,
• Rubidiumuhren als Zeitnormale (Atomuhr)
• Rubidium-Oszillator als genaue Zeit- und Frequenzreferenzen in Sendeanlagen, Mobilfunkstationen, als Referenzsignal in Test- und Prüfgeräten und als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS)
• Demonstration der Laserkühlung, da hier günstige Laserdioden für die relevanten Wellenlängen zur Verfügung stehen (somit vergleichsweise einfache Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats).
• In Feuerwerk zur Erzeugung von purpurnem Feuer

Nachweis

Zum Nachweis von Rubidium kann man seine rotviolette Flammenfärbung nutzen. Im Spektroskop zeigt sich eine deutliche Emissionslinie bei 780,0 nm.[8] Quantitativ lässt sich dies in der Flammenphotometrie zur Bestimmung von Rubidiumspuren nutzen. In der Polarographie zeigt Rubidium eine reversible kathodische Stufe bei −2,118 V (gegen SCE). Dabei müssen als Grundelektrolyt quartäre Ammoniumverbindungen (hier beispielsweise 0,1 M Tetramethylammoniumhydroxid) verwendet werden, weil andere Alkali- oder Erdalkalimetallionen sehr ähnliche Halbstufenpotentiale besitzen.[18]

Ein weiterer qualitativer Nachweis ist die Bildung eines schwerlöslichen Tripelsalzes in schwach saurer Lösung mit Natrium-, Bismut- und Nitritionen, die einen gelbgefärbten Niederschlag der Zusammensetzung ${\displaystyle {\ce {RbNaBi(NO2)6}}}$ liefern, dessen Kristalle eine oktaedrische Form aufweisen. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,5 mg Rubidium. Diese kann durch Verwendung von Silberionen anstelle der Natriumionen noch gesteigert werden, allerdings liefert Caesium eine ähnliche Reaktion.[19]

Physiologie

Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell, bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein. Der Rubidiumbedarf des Menschen dürfte bei weniger als 100 µg pro Tag liegen. Mit der üblichen Mischkost kommt er auf etwa 1,7 mg am Tag. Ein Rubidiummangel ist bei diesem Angebot ebenso wenig zu erwarten wie eine nutritive Rubidiumbelastung. Tee und Kaffee – Arabica-Kaffee hat den höchsten Rubidium-Gehalt, der in Lebensmitteln festgestellt wurde (Arabica-Bohne: 25,5–182 mg/kg Trockensubstanz)[20] – liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der verzehrten Rubidiummenge. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern,[21] ein Einsatz von Rubidium als antidepressiver Wirkstoff wird diskutiert. Ein Rubidiummangel kann bei Dialysepatienten vorliegen.[22][23]

Sicherheitshinweise

Rubidium i​st selbstentzündlich u​nd reagiert äußerst heftig m​it Wasser. Aus Sicherheitsgründen i​st Rubidium i​n trockenem Mineralöl, i​m Vakuum o​der in e​iner Inertgasatmosphäre aufzubewahren.

Verbindungen

Oxide und Hydroxide

• Rubidiumoxid Rb₂O
• Rubidiumperoxid Rb₂O₂
• Rubidiumhyperoxid RbO₂
• Rubidiumozonid RbO₃
• Rubidiumhydroxid RbOH

Halogenide

• Rubidiumfluorid RbF
• Rubidiumchlorid RbCl
• Rubidiumbromid RbBr
• Rubidiumiodid RbI
• Rubidiumtriiodid RbI₃

Sonstige Verbindungen

• Rubidiumnitrat RbNO₃
• Rubidiumsulfat Rb₂SO₄
• Rubidiumhydrogensulfat RbHSO₄

• Rubidiumchlorat RbClO₃
• Rubidiumperchlorat RbClO₄
• Rubidiumbromat RbBrO₃
• Rubidiumiodat RbIO₃
• Rubidiumperiodat RbIO₄

• Rubidiumchromat Rb₂CrO₄
• Rubidiumdichromat Rb₂Cr₂O₇
• Rubidiumhydrogencarbonat RbHCO₃
• Rubidiumdithionat Rb₂S₂O₆
• Rubidiumacetat CH₃COORb
• Rubidiumformiat HCOORb

• Rubidiumhydrid RbH
• Rubidiumamid RbNH₂
• Rubidiumazid RbN₃
• Rubidiumselenid Rb₂Se

Einzelnachweise

1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Rubidium) entnommen.
3. CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
4. Manjeera Mantina, Adam C. Chamberlin, Rosendo Valero, Christopher J. Cramer, Donald G. Truhlar: Consistent van der Waals Radii for the Whole Main Group. In: J. Phys. Chem. A 113, 2009, S. 5806–5812, doi:10.1021/jp8111556.
5. Eintrag zu rubidium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (https://physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
6. Eintrag zu rubidium bei WebElements, https://www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
7. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Rubidium) entnommen.
8. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 97.
9. Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
10. Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
11. Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
12. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Rubidium) entnommen.
13. Decay Radiation Results. In: Chart of Nuclides database. National Nuclear Data Center, abgerufen am 24. Januar 2012.
14. Eintrag zu Rubidium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
15. Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen: Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen. Zweite Abhandlung. In: Johann Christian Poggendorff (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. 189 (Pogg. Ann. 113), Nr. 7. Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1861, S. 337–381, doi:10.1002/andp.18611890702, bibcode:1861AnP...189..337K (online bei Gallica, Bibliothèque nationale de France).
16. Georg Brauer: Freie Alkalimetalle. In: Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart 1954, S. 724 ff.
17. G. Kirchhoff, R. Bunsen: Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 189, Nr. 7, 1861, S. 337–381, doi:10.1002/andp.18611890702, bibcode:1861AnP...189..337K.
18. J. Heyrovský, J. Kůta: Grundlagen der Polarographie. Akademie-Verlag, Berlin 1965, S. 515.
19. R. Fresenius, G. Jander: Rubidium - Fällung als Rubidium-Natrium-Wismutnitrit mit Natrium-Wismutnitrit. In: Handbuch der analytischen Chemie, Zweiter Teil: Qualitative Nachweisverfahren, Band 1a: Elemente der ersten Hauptgruppe (einschl. Ammonium). Springer-Verlag, Berlin 1944, S. 155–156.
20. Andrea Illy, Rinantonio Viani: Espresso Coffee: The Science of Quality. Elsevier Academic Press, 2005, ISBN 0-12-370371-9, S. 150.
21. M. Krachler, G. H. Wirnsberger: Long-term changes of plasma trace element concentrations in chronic hemodialysis patients. In: Blood Purif. 18(2), 2000, S. 138–143, PMID 10838473.
22. H. L. Meltzer, R. M. Taylor, S. R. Platman, R. R. Fieve: Rubidium: A potential modifier of effect and behaviour. In: Nature. 223, 1969, S. 321–322, PMID 4978331.
23. C. Canavese, E. DeCostanzi, L. Branciforte u. a.: Rubidium deficiency in dialysis patients. In: J Nephrol. 14(3), 2001, S. 169–175, PMID 11439740.

Weblinks