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銣（活潑的堿金屬元素）

次瀏覽 | 更新時間：2023-05-20

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銣

活潑的堿金屬元素

銣（英語：Rubidium），元素符號為Rb，原子序數(shù)為37，一種柔軟、延展性良好的銀白色堿金屬，在39℃環(huán)境溫度下是液體。銣是地殼中第十六大普遍的元素，但不作為礦物結(jié)構(gòu)的主要組成元素。銣在非放射性同位素堿金屬中電離電位第二低，僅次于銫，是路易斯第二強堿?；瘜W(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)介于鉀和銫之間，銣在空氣存在下燃燒，與水發(fā)生劇烈反應(yīng)，釋放出氫氣，因此具有運輸和保存的危險性。銣在動物血液和組織中可交換鉀，毒性程度較低，但銣的氫氧化物具有強腐蝕性。

基本信息

中文名

銣

英文名

rubidium

拼音

rú

元素符號

原子序數(shù)

原子質(zhì)量

85.4678

元素類別

堿金屬

族

I A族

周期

第五周期

區(qū)

s區(qū)

電子排布

[Kr] 5s1

CAS編號

7440-17-7

物理性質(zhì)

物態(tài)

液態(tài)（＞39 ℃）

密度

1.532 g/cm3（固體，18 ℃），1.475 g/cm3（液體，39 ℃）

熔點

38.89 ℃

沸點

688 ℃

熔化熱

2.19 kJ·mol?1

汽化熱

80.9 kJ·mol?1

蒸氣壓

1.650×10?? kPa（126.85 ℃）

原子性質(zhì)

氧化態(tài)

+1，-1

電負性

0.82（鮑林標度）

原子半徑

235 pm

銣在諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用：??Rb釋放β粒子并分解為??Sr，通過確定銣同位素和鍶同位素的比例可以測量巖石或礦物的年齡，可用于人類文物年代的確定；??Rb原子的共振頻率被頻率標準確定為基準頻率，銣原子頻標可作為優(yōu)良的時間標準；銣化合物和含銣合金可用于制造光電池、光電發(fā)射管、自動控制設(shè)備，并可應(yīng)用于輻射探測、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備制造。

發(fā)現(xiàn)歷史

銣由基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和本森（Robert Bunsen）于1861年發(fā)現(xiàn)。他們在1860年發(fā)明了分光鏡，通過光譜分析法發(fā)現(xiàn)了新元素銫。他們對鋰云母礦石沉淀分離后的殘渣進行光譜分析，觀察到發(fā)射光譜中有暗紅色的新線，銣的名稱就取自拉丁文rubidus，意思是深紅色。這是繼銫元素之后，第二個通過使用光譜儀來識別的元素。1861年本森還從礦泉水的堿性蒸發(fā)物中分離出了含銣的碳酸鹽和氯化物，通過用碳還原酒石酸氫銣提取了金屬銣。

分布情況

銣是地殼56種元素中的一種，總共占地殼元素重量的0.05%，在所有元素豐度中排名第23位，金屬元素中排名16位。它比常見的銅、鉛、鋅更豐富，但是開采量遠低于上述金屬，每年的開采量在全世界范圍內(nèi)僅2-4噸/年，銣的存量是銫的30倍，是鋰的4倍，但卻只能作為提取這兩種金屬的副產(chǎn)品。造成這一現(xiàn)狀的原因是銅、鉛、鋅以及鋰和銫是礦物的主要成分，易集中形成礦床。然而，銣不會形成以自己為主要成分的礦物，難以形成礦床。銣是銫和鋰礦石中的常見成分。一些代表性的鉀礦物中銣的最大含量是鉀長石，占3%；白云母，占2.1%；黑云母，占4.1%；光鹵石和錫蘭石，分別占0.1%和0.2%。

在美國和其他一些國家都發(fā)現(xiàn)了這種礦石，從1958年到1975年，美國市場上的銣主要來自于德克薩斯州一家工廠積累的干混堿碳酸鹽，作為從鱗片巖中提取的鋰的副產(chǎn)品。中國廣州市從化紅坪山銣礦是世界稀有的全礦化巖體型礦床。地質(zhì)勘探表明氧化銣工業(yè)儲量12.14萬噸，可采儲量估計4.37萬噸，全巖含銣0.12％。加拿大是北美主要的銣資源儲量國家，鋰云母和銫榴石較多，銣總儲量約為2000噸。此外，智利、南非、納米比亞等國家也發(fā)現(xiàn)了一定儲量的銣礦資源。另一種是以離子態(tài)賦存于液態(tài)礦物中，青海、西藏等地的現(xiàn)代鹽湖鹵水資源和湖北、四川等地的古地下鹵水資源都伴生有豐富的銣礦產(chǎn)資源。液態(tài)礦物中銣銫的濃度雖然較低，但是液態(tài)礦物的儲量大，開采相對簡單。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

銣的熔點為39 ℃，在較高溫度的環(huán)境中是液態(tài)，低溫環(huán)境為固態(tài)，柔軟且具有良好延展性。原子量為85.4678，固體密度為1.532 g/cm3，液體密度為1.475 g/cm3，是第四輕的金屬元素。沸點688 ℃，蒸汽壓1.650×10?? kPa（126.85 ℃），電離能4.18 eV。銣具有優(yōu)良的光電效應(yīng)，當(dāng)受到極弱的光照，就能均勻的釋放電子，形成光電流。在冶金學(xué)上，銣易和其他堿金屬如：銻、鉍、金形成合金，也容易與汞結(jié)合。銣是體心立方晶體，六方晶系，晶體大小為0.11×0.11×0.03 mm3。

同位素

在自然界中，銣由兩種同位素組成，它們的原子量分別為85和87，占比分別為72.2%和27.8%（按重量計算）。??Rb具有放射性，其半衰期為490億年；原子反應(yīng)堆裂變生成的放射性銣的同位素?1Rb、??Rb等半衰期短，但放射性也較強。放射性同位素Rb在生物醫(yī)學(xué)研究中用作示蹤劑，檢測小型脊椎動物的代謝情況。Rb可用于心臟成像技術(shù)，是評估心肌功能的有效手段。

化學(xué)性質(zhì)

銣是僅次于銫的第二大正電金屬，可與多種陰離子結(jié)合形成化合物，銣鹽多具有吸濕性。銣與常見陰離子形成水溶性化合物，如：乙酸鹽、碳酸鹽、氧化物、硫酸鹽等，還能與銻、鉍、鐵、鉛等形成不溶于水的雙鹵化物。銣性質(zhì)極為活潑，在空氣中易自燃，迅速失去表面光澤，與水、氧化劑、鹵代烴發(fā)生劇烈反應(yīng)，生成腐蝕性的強堿性氫氧化銣和易燃氣體氫氣，而反應(yīng)過程釋放的強熱容易將氫氣點燃，造成火災(zāi)和爆炸。此外，銣是一種強還原劑，在干燥氧氣環(huán)境中會自燃。銣金屬熔融狀態(tài)易起火，當(dāng)與硫磺蒸汽同時起火會導(dǎo)致馬來酸酐的爆炸性分解。在氯氣中也能燃燒，與汞的相互作用是釋放強熱。

銣在氧氣中反應(yīng)：

銣與水反應(yīng)：

銣與鹵素(以X?表示)反應(yīng)：

化合物

銣的常見無機化合物均為無色或白色，具有吸濕性，在運輸和儲存過程中需要考慮防潮。具體參數(shù)如下：

·氫氧化銣[RbOH，CAS：1310-82-3，分子量：102.48，熔點：382 ℃，密度：3.2 g/cm3]

·碳酸銣[Rb?CO?，CAS：584-09-8，分子量：230.95，熔點：837 ℃]

·氯化銣[RbCl，CAS：7791-11-9，分子量：120.92，熔點： 715 ℃，密度：2.76 g/cm3]

·碳酸氫銣[RbHCO?，CAS：19088-74-5，分子量：146.49，熔點：175℃]

·氟化銣[RbF，CAS：13446-74-7，分子量：104.47，熔點： 833 ℃，密度：3.2 g/cm3]

·溴化銣[RbBr，CAS：7789-39-1，分子量：165.37，熔點： 682 ℃，密度：3.35 g/cm3]

·碘化銣[RbI，CAS：7790-29-6，分子量：212.37，熔點： 642 ℃，密度：3.55 g/cm3]

·硝酸銣[RbNO?，CAS：13126-12-0，分子量：147.47，熔點： 305 ℃，密度：3.11 g/cm3]

提取方法

銣在自然界中儲量豐富，但是礦物中含量低，常與性質(zhì)相似的同主族堿金屬共存。由于堿金屬之間不易形成沉淀物或絡(luò)合離子，并且具有相似的水化學(xué)性質(zhì)，銣的分離和純化難度高。在通常的回收過程中，銣離子通常在預(yù)處理后的鹽湖鹵水中與離子半徑相近的鋰和銫離子共存，鉀的含量遠高于銣，嚴重干擾了銣的分離提取，增大了銣提取工藝的復(fù)雜性。當(dāng)前，銣的提取主要分為固體礦物的浸取、高放核廢液處理和鹽湖鹵水分離幾個方面。在不同時期開發(fā)出了多種分離提取方法，主要有分步結(jié)晶法、沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法。

分步結(jié)晶法

分步結(jié)晶法是最早用于從鋰云母或銫榴石礦物分離提取銣的方法。首先采用硫酸持續(xù)浸出分解含銣礦物，得到混合的硫酸鹽溶液，將混合硫酸鹽溶液重復(fù)溶解和結(jié)晶，根據(jù)金屬化合物溶解度大小的不同，結(jié)晶速度的差異，逐項分離提純金屬，最終獲得純銣礬，進一步分解得到氫氧化銣。該方法操作復(fù)雜，持續(xù)時間長，分離效果不佳，現(xiàn)已被更高效的方法取代，很少應(yīng)用。

沉淀法

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常采用沉淀法從高濃度鹵水中分離提取銣，現(xiàn)主要用于工業(yè)化生產(chǎn)的后期產(chǎn)品提純和裂變產(chǎn)物放射性元素的分離。沉淀法的原理是通過控制pH和反應(yīng)時間，利用大體積陰離子作為沉淀劑與溶液中的銣離子生成難溶性物質(zhì)或形成結(jié)晶，沉淀分離。常見沉淀劑有雜多酸類、絡(luò)合酸鹽、多鹵化物和礬類。其中四氯化錫、三氯化銻、硅鎢酸、硅鋁酸、氯鉑酸、氯化碘、碘鉍酸鉀和硫酸鋁使用較多。沉淀法提取銣的回收率較高，但沉淀劑價格昂貴，部分沉淀劑水溶性差，生成的沉淀物穩(wěn)定性差都降低了實際生產(chǎn)和研究的應(yīng)用可行性。目前也有研究提出用復(fù)鹽法提取銣。

離子交換法

離子交換法是從鹽湖鹵水或制鹽鹵水中分離提取銣的常用方法，適用于低濃度銣的富集和分離。其基本原理是令含銣溶液通過離子交換劑，交換劑可吸附銣離子實現(xiàn)銣與其他離子的分離，接著加入洗脫液，銣從交換劑上脫附，得到高濃度溶液，蒸發(fā)結(jié)晶獲得金屬銣或銣化物。現(xiàn)已研發(fā)出具有良好吸附性能的吸附劑，包括無機型和有機樹脂型兩類，新型離子交換劑選擇性好、可循環(huán)使用、操作方便、回收率高、工藝流程簡單。

無機離子交換劑

無機離子交換機具有機械強度高、耐熱抗輻射性強、熱穩(wěn)定性好和選擇性強等特點，且操作設(shè)備簡單，可連續(xù)柱式操作。主要有硅鋁酸鹽（沸石、蒙脫石）、雜多酸鹽、鐵氰化物和多價金屬化合物（磷酸錫SnP 、磷酸鋯ZrP、磷酸鈦TiP等）。

有機離子交換劑

有機離子交換劑主要包括離子交換樹脂類和螯合樹脂類，其特點是易于塑形、交換量大、透水性好、易再生，但是存在抗輻射性差、耐熱性差、易受高價金屬離子影響和交換勢大的缺點，僅適用于流動注射、色譜等在線分離富集，難以在大規(guī)模工業(yè)中應(yīng)用。

溶劑萃取法

溶劑萃取是一種經(jīng)濟、高效且環(huán)保的稀金屬離子溶液分離方法。銣離子可與某些有機化合物發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)或與有機大分子上的一價陽離子發(fā)生交換，選擇性的將銣從水相轉(zhuǎn)移到有機相，實現(xiàn)金屬離子的分離。溶劑萃取法具有處理量大、流程簡單、操作便捷的優(yōu)點，易于實現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。

溶劑萃取法在銣銫的分離提取上研究較多，萃取劑主要有酚醇類、杯芳烴冠醚及其衍生物、有機硼類化合物、二苦胺類和硝基化合物等。萃取劑氯化鈷類（ccd，chlorinated cobalt dicarbollide）和杯芳烴類（calixarene-crown）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成時間長，難度大，造價高昂，因此這些萃取劑僅用于核工業(yè)。相比之下酚類更容易獲得，價格較低，是分離銣的良好萃取劑，其中叔丁基苯酚（t-BAMBP）是一種高效且高選擇性的銣萃取劑。在強堿性環(huán)境中，t-BAMBP對堿金屬的可萃取性順序是Cs>Rb>K>Na>Li。綜合操作成本，實驗室提取銣的最佳條件是在室溫下，使用30%的t-BAMBP和濃度0.1mol/L的NaOH進料，可以提取99%的銣，同時能共同提取19.4%的鉀。

應(yīng)用領(lǐng)域

20世紀以前銣在工業(yè)上沒有任何應(yīng)用，直到20世紀20年代，少量的銣開始用于生產(chǎn)光電電池。此后，銣化合物的需求和供應(yīng)量不斷增長。1979年，全球銣化物需求量約為2000公斤，相比銣化物，金屬銣的需求很小。21世紀后，高新技術(shù)快速發(fā)展，隨著對金屬銣理化性質(zhì)研究的加深，銣被應(yīng)用于航天、通信、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域。長期以來，銣因其活躍的化學(xué)性質(zhì)，存在運輸和儲存的困難，約束了銣工業(yè)的發(fā)展。隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步和研究不斷深入，銣獨特的光電性能在諸多領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。21世紀后，銣的應(yīng)用主要集中在高新技術(shù)領(lǐng)域，僅20%的銣用于傳統(tǒng)工業(yè)。

頻率標準

銣的輻射頻率具有長時間的穩(wěn)定性，??Rb原子的共振頻率被頻率標準確定為基準頻率，銣原子頻標作為時間標準具有抗輻射、高穩(wěn)定性、高準確性、重量輕、體積小、功耗低等特點，可達到人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)、導(dǎo)航、運載火箭導(dǎo)航、導(dǎo)彈系統(tǒng)、無線通訊、全球定位系統(tǒng)（GPS）等空間技術(shù)的發(fā)展需要的精確性要求，氣泡型銣原子頻標已成為應(yīng)用最廣泛的原子頻標。在原子電路技術(shù)中，使用銣進行量子計算方面取得了進展，銣原子用于創(chuàng)建在原子電路中傳輸信息的量子門。銣可作為化學(xué)示蹤劑， ??Rb衰變成??Sr已廣泛應(yīng)用于鑒別巖石、礦物以及文物年代。

能量利用

由于銣易離子化，將銣及其化合物用作把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的磁流體發(fā)電機的發(fā)電材料（導(dǎo)電體）可獲得較高熱效率。在熱離子發(fā)電過程中，離子化銣能中和電極之間的空間電荷，提高了電子發(fā)射速度，減少了集電極的能量損失。含銣涂層電極的熱電換能器還可與原子反應(yīng)堆聯(lián)用，在反應(yīng)堆內(nèi)部實現(xiàn)聯(lián)合發(fā)電。在超導(dǎo)體中使用銣的研究正在增加。

光電設(shè)備

銣和銫被人們稱為“長眼睛的金屬”，原因是他們具有優(yōu)異的光電性能，銣原子極容易失去價電子，可見光的能量使原子電離，電子獲得能量后從金屬表面溢出產(chǎn)生光電效應(yīng)，顯示出優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和化學(xué)活性。通常用銣化合物和含銣合金制造光電池、光電發(fā)射管、自動控制設(shè)備、光電倍增管，同時應(yīng)用于輻射探測、醫(yī)學(xué)影像設(shè)備。

特種玻璃

含銣特征玻璃是銣應(yīng)用的主要市場，玻璃制作中添加碳酸銣，可以增大玻璃穩(wěn)定性，延長產(chǎn)品使用壽命。含銣玻璃廣泛應(yīng)用于光纖和夜視裝置生產(chǎn)的方面。

醫(yī)學(xué)方面

銣的物理、化學(xué)性質(zhì)與銫相似，因此兩種元素常一起使用或互為替代，在生物學(xué)實驗中，氯化銣和其他幾種銣鹽可與銫化物結(jié)合或替代其作為超速離心分離脫氧核糖核酸（DNA）、病毒和其他的大顆粒組分的密度梯度介質(zhì)；放射性銣可用于血流放射性示蹤；碘化銣可取代碘化鉀治療甲狀腺腫大；一些銣鹽在藥物中作為鎮(zhèn)靜劑、安眠藥，還用于治療癲癇。銣的同位素是發(fā)射型計算機斷層成像技術(shù)（Emission Computed Tomography, ECT）中使用的幾種同位素之一，特別適用于評估心臟區(qū)域的血流（心肌灌注）和檢測冠狀動脈疾病。

其他

為了防止假冒產(chǎn)品破壞市場，制造商通常會添加少量銣作為化學(xué)標簽，用于識別、溯源和追蹤產(chǎn)品；氫氧化銣可用于煙花生產(chǎn)，它能氧化其他元素的化合物并產(chǎn)生紫色光；富銣長石因其高介電容量而用于火花塞和電絕緣體陶瓷的制造；銣被用作石油勘探中甲酸鹽鹽水的添加劑和高效催化劑；銣還可以作為真空電子管中殘余氧氣的清除劑。

安全事宜

毒理

銣燃燒會產(chǎn)生刺激性、腐蝕性或有毒氣體。銣的化合物中，要采取的預(yù)防措施和保護措施由陰離子決定，RbOH具有很強的腐蝕性，RbF顯示出堿金屬氟化物的典型毒性，RbClO?和RbNO?是氧化劑。在毒理性研究中，銣在人體血漿、血液中的作用與鉀相同，評估潛在風(fēng)險較低。

健康危害

銣與水接觸產(chǎn)生腐蝕性溶液。吸入或接觸銣的蒸氣或分解產(chǎn)物可能導(dǎo)致嚴重傷害或死亡。動物皮膚試驗表明，5%的銣溶液對無破損皮膚無刺激性，然而，它對磨損的皮膚有輕微的刺激性。5%碘化銣溶液對完整或磨損的皮膚都沒有刺激性。氫氧化銣的濃溶液對眼睛具有嚴重的腐蝕性。

環(huán)境危害

銣的水反應(yīng)性和自燃性易造成火災(zāi)或爆炸危險，滅火后可能重新點燃。通過消防或稀釋水銣進入徑流可能造成環(huán)境污染。

防護方法

在處理任何銣鹽時，建議使用耐化學(xué)腐蝕的手套和經(jīng)批準的護目鏡，進行局部通風(fēng)并使用經(jīng)批準的防塵呼吸器。銣金屬對人體組織具有嚴重的腐蝕性，只能在具有完全個人保護的惰性氣體環(huán)境中處理。由于金屬銣對水、蒸汽、冰、空氣和許多其他物質(zhì)都會發(fā)生強烈反應(yīng)，銣的具有運輸和儲存的高風(fēng)險，因此需要采取特殊的預(yù)防措施。銣被儲存和運輸在干燥的礦物油、惰性氣體和真空環(huán)境，數(shù)量超過100 g的銣包裝在不銹鋼容器中，數(shù)量較少則包裝在密封的硼硅酸鹽玻璃安瓿并外包惰性材料后裝入金屬罐內(nèi)，放射性的銣制劑有特殊儲存和運輸規(guī)定。