銣 銣(英語(yǔ) :Rubidium),元素符號(hào)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?zhǔn)堑貧ぶ械谑笃毡榈脑?,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(qiáng)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(yùn)輸和保存的危險(xiǎn)性。 銣在動(dòng)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(qiáng)腐蝕性。
基本信息
物理性質(zhì)
密度
1.532 g/cm3(固體,18 ℃),1.475 g/cm3(液體,39 ℃)
原子性質(zhì)
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(guò)確定銣同位素和鍶同位素的比例可以測(cè)量巖石或礦物的年齡,可用于人類(lèi)文物年代的確定; ??Rb原子的共振頻率被頻率標(biāo)準(zhǔn)確定為基準(zhǔn)頻率,銣原子頻標(biāo)可作為優(yōu)良的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn);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(dòng)控制設(shè)備,并可應(yīng)用于輻射探測(cè)、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?cè)?860年發(fā)明了分光鏡,通過(guò)光譜分析法發(fā)現(xiàn)了新元素銫。他們對(duì)鋰云母礦石沉淀分離后的殘?jiān)M(jìn)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(chēng)就取自拉丁文rubidus,意思是深紅色。這是繼銫元素之后,第二個(gè)通過(guò)使用光譜儀來(lái)識(shí)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(guò)用碳還原酒石酸氫銣提取了金屬銣。
分布情況 銣?zhǔn)堑貧?6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(jiàn)的銅、鉛、鋅更豐富,但是開(kāi)采量遠(yuǎn)低于上述金屬,每年的開(kāi)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(huì)形成以自己為主要成分的礦物,難以形成礦床。銣?zhǔn)卿C和鋰礦石中的常見(jiàn)成分。一些代表性的鉀礦物中銣的最大含量是 鉀長(zhǎng)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(guó)和其他一些國(guó)家都發(fā)現(xiàn)了這種礦石,從1958年到1975年,美國(guó)市場(chǎng)上的銣主要來(lái)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(guó)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(chǔ)量12.14萬(wàn)噸,可采儲(chǔ)量估計(jì)4.37萬(wàn)噸,全巖含銣0.12%。加拿大是北美主要的銣資源儲(chǔ)量國(guó)家, 鋰云母 和銫榴石較多,銣總儲(chǔ)量約為2000噸。此外, 智利 、南非、 納米比亞 等國(guó)家也發(fā)現(xiàn)了一定儲(chǔ)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(chǔ)量大,開(kāi)采相對(duì)簡(jiǎn)單。
理化性質(zhì)
物理性質(zhì) 銣的熔點(diǎn)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(diǎn)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?zhǔn)求w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(jì)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(qiáng)。 放射性同位素 Rb在生物醫(yī)學(xué)研究中用作示蹤劑,檢測(cè)小型脊椎動(dòng)物的代謝情況。 Rb可用于心臟成像技術(shù),是評(píng)估心肌功能的有效手段。
化學(xué)性質(zhì) 銣?zhǔn)莾H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(jiàn)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(qiáng)堿性 氫氧化銣 和易燃?xì)怏w氫氣,而反應(yīng)過(guò)程釋放的強(qiáng)熱容易將氫氣點(diǎn)燃,造成火災(zāi)和爆炸。此外,銣?zhǔn)且环N強(qiáng)還原劑,在干燥氧氣環(huán)境中會(huì)自燃。銣金屬熔融狀態(tài)易起火,當(dāng)與 硫磺 蒸汽同時(shí)起火會(huì)導(dǎo)致 馬來(lái)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(qiáng)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(jiàn)無(wú)機(jī)化合物均為無(wú)色或白色,具有吸濕性,在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)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(diǎn):382 ℃,密度:3.2 g/cm3]
· 碳酸銣 [Rb?CO?,CAS:584-09-8,分子量:230.95,熔點(diǎn):837 ℃] · 氯化銣 [RbCl,CAS:7791-11-9,分子量:120.92,熔點(diǎn): 715 ℃,密度:2.76 g/cm3] ·碳酸氫銣[RbHCO?,CAS:19088-74-5,分子量:146.49,熔點(diǎn):175℃]
· 氟化銣 [RbF,CAS:13446-74-7,分子量:104.47,熔點(diǎn): 833 ℃,密度:3.2 g/cm3] · 溴化銣 [RbBr,CAS:7789-39-1,分子量:165.37,熔點(diǎn): 682 ℃,密度:3.35 g/cm3] · 碘化銣 [RbI,CAS:7790-29-6,分子量:212.37,熔點(diǎn): 642 ℃,密度:3.55 g/cm3] · 硝酸銣 [RbNO?,CAS:13126-12-0,分子量:147.47,熔點(diǎn): 305 ℃,密度:3.11 g/cm3]
提取方法 銣在自然界中儲(chǔ)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(guò)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(yuǎn)高于銣,嚴(yán)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(gè)方面。在不同時(shí)期開(kāi)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(xiàng)分離提純金屬,最終獲得純銣礬,進(jìn)一步分解得到氫氧化銣。 該方法操作復(fù)雜,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),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(guò)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(guò)控制pH和反應(yīng)時(shí)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(jiàn)沉淀劑有雜多酸類(lèi)、絡(luò)合酸鹽、多鹵化物和礬類(lèi)。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(jià)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(shí)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(guò)離子交換劑,交換劑可吸附銣離子實(shí)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?,F(xiàn)已研發(fā)出具有良好吸附性能的吸附劑,包括無(wú)機(jī)型和有機(jī)樹(shù)脂型兩類(lèi),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(jiǎn)單。
無(wú)機(jī)離子交換劑 無(wú)機(jī)離子交換機(jī)具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱抗輻射性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好和選擇性強(qiáng)等特點(diǎn),且操作設(shè)備簡(jiǎn)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(jià)金屬化合物(磷酸錫SnP 、磷酸鋯ZrP、 磷酸鈦 TiP等)。
有機(jī)離子交換劑 有機(jī)離子交換劑主要包括 離子交換樹(shù)脂 類(lèi)和 螯合樹(shù)脂 類(lèi),其特點(diǎn)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(jià)金屬離子影響和交換勢(shì)大的缺點(diǎn),僅適用于流動(dòng)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(jì)、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(jī)化合物發(fā)生 絡(luò)合反應(yīng) 或與有機(jī)大分子上的一價(jià) 陽(yáng)離子 發(fā)生交換,選擇性的將銣從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相,實(shí)現(xiàn)金屬離子的分離。溶劑萃取法具有處理量大、流程簡(jiǎn)單、操作便捷的優(yōu)點(diǎn),易于實(shí)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(lèi)、 杯芳烴 冠醚 及其衍生物、有機(jī)硼類(lèi)化合物、 二苦胺 類(lèi)和 硝基化合物 等。萃取劑 氯化鈷 類(lèi)(ccd,chlorinated cobalt dicarbollide)和杯芳烴類(lèi)(calixarene-crown)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,合成時(shí)間長(zhǎng),難度大,造價(jià)高昂,因此這些萃取劑僅用于核工業(yè)。 相比之下 酚類(lèi) 更容易獲得,價(jià)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(qiáng)堿性環(huán)境中,t-BAMBP對(duì)堿金屬的可萃取性順序是Cs>Rb>K>Na>Li。綜合操作成本,實(shí)驗(yàn)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(jìn)料,可以提取99%的銣,同時(shí)能共同提取19.4%的鉀。
應(yīng)用領(lǐng)域 20世紀(jì)以前銣在工業(yè)上沒(méi)有任何應(yīng)用,直到20世紀(jì)20年代,少量的銣開(kāi)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(zhǎng)。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(jì)后,高新技術(shù)快速發(fā)展,隨著對(duì)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(zhǎng)期以來(lái),銣因其活躍的化學(xué)性質(zhì),存在運(yùn)輸和儲(chǔ)存的困難,約束了銣工業(yè)的發(fā)展。隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究不斷深入,銣獨(dú)特的光電性能在諸多領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。21世紀(jì)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(biāo)準(zhǔn) 銣的輻射頻率具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性,??Rb原子的共振頻率被頻率標(biāo)準(zhǔn)確定為基準(zhǔn)頻率,銣原子頻標(biāo)作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)具有抗輻射、高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性、重量輕、體積小、功耗低等特點(diǎn),可達(dá)到人造地球衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)、導(dǎo)航、運(yùn)載火箭導(dǎo)航、導(dǎo)彈系統(tǒng)、無(wú)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(biāo)已成為應(yīng)用最廣泛的原子頻標(biāo)。 在原子電路技術(shù)中,使用銣進(jìn)行量子計(jì)算方面取得了進(jìn)展,銣原子用于創(chuàng)建在原子電路中傳輸信息的量子門(mén)。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(jī) 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(guò)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(shí)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(chēng)為“長(zhǎng)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(jià)電子,可見(jiàn)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(dòng)控制設(shè)備、光電倍增管,同時(shí)應(yīng)用于輻射探測(cè)、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(chǎng),玻璃制作中添加碳酸銣,可以增大玻璃穩(wěn)定性,延長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(píng)估心臟區(qū)域的血流(心肌灌注)和檢測(cè)冠狀動(dòng)脈疾病。
其他 為了防止假冒產(chǎn)品破壞市場(chǎng),制造商通常會(huì)添加少量銣作為 化學(xué)標(biāo)簽 ,用于識(shí)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(zhǎng)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(huì)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(hù)措施由陰離子決定,RbOH具有很強(qiáng)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(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)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(yán)重傷害或死亡。 動(dòng)物皮膚試驗(yàn)表明,5%的銣溶液對(duì)無(wú)破損皮膚無(wú)刺激性,然而,它對(duì)磨損的皮膚有輕微的刺激性。5%碘化銣溶液對(duì)完整或磨損的皮膚都沒(méi)有刺激性。氫氧化銣的濃溶液對(duì)眼睛具有嚴(yán)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(xiǎn),滅火后可能重新點(diǎn)燃。通過(guò)消防或稀釋水銣進(jìn)入徑流可能造成環(huán)境污染。
防護(hù)方法 在處理任何銣鹽時(shí),建議使用耐化學(xué)腐蝕的手套和經(jīng)批準(zhǔn)的護(hù)目鏡,進(jìn)行局部通風(fēng)并使用經(jīng)批準(zhǔn)的防塵呼吸器。銣金屬對(duì)人體組織具有嚴(yán)重的腐蝕性,只能在具有完全個(gè)人保護(hù)的惰性氣體環(huán)境中處理。 由于金屬銣對(duì)水、蒸汽、冰、空氣和許多其他物質(zhì)都會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),銣的具有運(yùn)輸和儲(chǔ)存的高風(fēng)險(xiǎn),因此需要采取特殊的預(yù)防措施。銣被儲(chǔ)存和運(yùn)輸在干燥的 礦物油 、惰性氣體和真空環(huán)境,數(shù)量超過(guò)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(chǔ)存和運(yùn)輸規(guī)定。