关于“铷”

2019-07-18 15:40:51

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  (一)发现历史

十九世纪五十年代的开头,住在汉堡城里的德国化学家本生(Robert Bunsen),发明了一种燃烧煤气的灯,这种本生灯现在在我们的化学实验室里还随处可见。他试着把各种物质放到这种灯的高温火焰里,看看它们在火焰里究竟有什么变化。

变化果真是有的!火焰本来几乎是无色的,可是当含钠的物质放进去时,火焰却变成了黄色;含钾的物质放进去时,火焰又变成了紫色……连续多次的实验使本生相信,他已经找到了一种新的化学分析的方法。这种方法不需要复杂的试验设备,不需要试管、量杯和试剂,而只要根据物质在高温无色火焰中发出的彩色信号,就能知道这种物质里含有什么样的化学成分。

但是,进一步的试验却使本生感到烦恼了,因为有些物质的火焰几乎亮着同样颜色的光辉,单凭肉眼根本没法把它们分辨清楚。

这时,住在同一城市里的研究物理学的基尔霍夫(Gustav Robert Kirchhopp)决心帮本生的忙。他想既然太阳光通过三棱镜能够分解成为由七种颜色组成的光谱,那为什么不可以用这个简单的玻璃块来分辨一下高温火焰里那些物质所发出的彩色信号呢?

基尔霍夫把自己的想法告诉了本生,并把自己研制的一种仪器——分光镜交给了他。

他们把各种物质放到火焰上去,叫物质变成炽热的蒸气,由这蒸气发出来的光,通过分光镜之后,果然分解成为由一些分散的彩色线条组成的光谱——线光谱。蒸气成份里有什么元素,线光谱中就会出现这种元素所特有的跟别的元素不同的色线:钾蒸气的光谱里有两条红线,一条紫线;钠蒸气有两条挨得很近的黄线;锂的光谱是由一条亮的红线和一条较暗的橙线组成的;铜蒸气有好几条光谱线,其中最亮的是两条黄线和一条橙线,等等。

这样就给人们找到了一种可靠的探索和分析物质成份的方法——光谱分析法。光谱分析法的灵敏度很高,能够“察觉”出几百万分之一克甚至几十亿分之一克的不管哪一种元素。

分光镜扩大了人们的视野。你把分光镜放在光线的过道上,谱线将毫无差错地告诉你发出这种光线的物质的化学元素的成分是什么。

本生拿着分光镜研究过很多物质。在1861年,他在一种矿泉水里和锂云母矿石中,发现了一种产生红色光谱线的未知元素。这个新发现的元素就用它的光谱线的颜色铷来命名(在拉丁语里,铷的含意是深红色)。

铷的发现,是用光谱分析法研究分析物质元素成分取得的第一个胜利。

 

(二)铷生产
   

随着铷及其化合物需求的不断扩大, 其分离、提纯技术得以不断发展, 从最早的分级结晶分离法、沉淀法, 到目前的离子交换法、溶剂萃取法等, 铷及其化合物的产品质量不断提高, 生产成本逐步降低。

 

(三)物理性质

 

【中文名称】铷

【汉语拼音】

【英文名称】rubidium 源于拉丁文 ruidus (深红色)

CAS号】7440-17-7 [3]  

EINECS】231-126-6

【元素符号】Rb

【原子序数】37

【族-系列】ⅠA—碱金属

【密度】1.532克/立方厘米

【莫氏硬度】0.3

【性状】

【元素在宇宙中的含量】0.01ppm (ppm是浓度单位,1ppm表示1单位溶剂中含有百万分之一单位的溶质)

【元素在太阳中的含量】0.03ppm

【地壳中含量】90ppm(0.009%)

【元素在海水中的含量】0.12ppm

【电子层】K-L-M-N-O

【相对原子质量】85.4678

【原子半径】235(265)pm

【共价半径】211pm

【范德华半径】244pm

【价电子排布】[Kr]5s1

【价电子在每能级排布】2,8,18,8,1

【核电荷数】37

【氧化态】主要有 Rb -1 (在液氨中), Rb +1

【晶体结构】晶胞为体心立方晶胞,每个晶胞含有2个金属原子。

【物质状态】固态

【熔点】312.46K(38.89℃)

【沸点】961K(688℃)

【摩尔体积】55.76立方厘米/摩尔

【汽化热】72.216 kJ/mol

【熔化热】2.192 kJ/mol

【蒸气压】1.56×10^-4 帕(312.6K)

【声速】1300 m/s(293.15K)

【电负性】0.82(鲍林标度)

【比热】363 J/(kg·K)

【电导率】7.79×10^6/(米欧姆) 【热导率】58.2 W/(m·K)

【第一电离能】403.0 kJ/mol

【第二电离能】2633 kJ/mol

【第三电离能】3860 kJ/mol

【第四电离能】5080 kJ/mol

【第五电离能】6850 kJ/mol

【第六电离能】8140 kJ/mol

【第七电离能】9570 kJ/mol

【第八电离能】13120 kJ/mol

【第九电离能】14500 kJ/mol

【第十电离能】26740 kJ/mo

 

(四)化学性质

 

氧化物离解能(Do):3.6(eV)

元素电离能(Ei): 4.18(eV)

主要吸收线及其主要参数:

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λ:波长

f:振子强度

W:单色器光谱通带

A- A(空气乙炔焰)

S*:元素的特征浓度(1%吸收灵敏度)

CL:元素的检测极限

R·S:同一元素主要吸收线间的相对灵敏度

F:火焰类型

晶胞参数:

a = 558.5 pm

b = 558.5 pm c = 558.5 pm

α = 90°

β = 90°

γ = 90° [4]  

铷的性质介于其上方的钾与下方的铯之间,性质极为活泼,在空气中即立即失去金属光泽,被氧气剧烈地氧化,并能引起铷自燃。遇水反应非常剧烈,甚至接触到-100℃以下的冰块也会发生爆炸。

铷的化学反应比钠、钾更为激烈,在空气中极易氧化。

铷的熔点和硬度比钾更低,化学性质更加活泼。铷遇水在表面发生爆炸并溶在水中形成碱性溶液。

铷在光的作用下容易放出电子,可用以制造光电管。

共有45个同位素(铷-71~铷-102),其中有1个同位素是稳定的。在自然界出现的铷-87,带有放射性。

 

(五)资源分布

 

铷的资源,铷无单独工业矿物,常分散在云母、铁锂云母、铯榴石和盐矿层、矿泉之中。全世界铷的储量18万吨,世界年产量约4吨,中国储量754吨。

参考价格:含量99.5% 人民币256000元/公斤 含量99.9% 人民币299000元/公斤

据小道消息称,从内蒙古地矿局矿产实验研究所传出消息,该所在锡林郭勒盟白音锡勒牧场东北约15公里处初步探明一处超大型铷矿,氧化铷储量达87.36万吨。(但实际查证后发现无此矿山的探矿证或采矿证的存在,也查无实地)

根据实地走访,在内蒙古锡林郭勒盟只有一家名为正镶白旗同创矿业有限公司拥有铷矿资源,都北银多金属矿,探矿区面积4.76平方公里,并且处于持证探矿阶段,在相关部门有备案,现已探明铷矿总量为9.6万吨,已超过开采最低品味,为世界目前最大型铷矿矿山。

 

(六)制取方法

 

提取铷的化合物:主要方法有复盐沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法等多种。中国自贡从卤水回收铷采用磷钼酸铵沉淀法。制铷:用金属热还原法以钙还原氯化铷,用镁或碳化钙还原碳酸铷,均可制得金属铷。

 

(七)化合物的应用

 

长期以来,由于金属铷化学性质比钾还要活泼,在空气中能自燃,其生产、贮存及运输都必须严密隔绝空气保存在液体石蜡、惰性气体或真空中,因而制约了其在一般工业应用领域的开发研究和大量使用。

然而,随着人类科学技术的发展和对铷应用开发研究的不断深入,近15年来,除在一些传统的应用领域,如电子器件、催化剂及特种玻璃等,有了一定发展的同时,许多新的应用领域也不断出现,特别是在一些高科技领域,显示了广阔的应用前景。以下综述了利用铷及其化合物的一些特性, 在一些传统和高科技领域内的应用现状。

频率、时间标准

人造地球卫星的发射系统、导航、运载火箭导航、导弹系统、无线通讯、电视转播、 收发分置雷达、全球定位系统(GPS) 等空间技术的发展对所采用频率与时间基准的长、短期准确度和稳定性要求越来越高。由于铷辐射频率具有长时间的稳定性,87Rb原子的共振频率被频率标准确定为基准频率。用作频率标准和时间标准的铷原子频标具有低漂移、高稳定性、抗辐射、体积小、重量轻、功耗低等特点。准确度极高的铷原子钟,在370万年中的走时误差不超过1s。

②能源

利用铷易于离子化的特点,多年来国内外在离子推进火箭、磁流体发电、热离子转换发电等方面的应用作了大量研究工作,并有了一些重要的发展。

磁流体发电是把热能直接转换成电能的一种新型发电方式。用含铷及其化合物作磁流体发电机的发电材料(导电体),可获得较高热效率。如一般核电站的总热效率为29%~32%,而结合磁流体发电可使核电站总热效率提高到55%~66%

热离子发电是利用二极真空管的原理,把热能直接变为电能。由于离子化铷能中和电极之间的空间电荷,因此,实际上提高了发射极的电子发射速度, 减少了集电极的能量损失等,即增加了换流器的能量输出。如用铷和铯制作(含铷涂层电极) 的热电换能器,与原子反应堆联用时,可在原子反应堆的内部实现热离子热核发电。

铷可用在空间飞行器的“离子推进发动机”中。以铷和铯作为材料的离子推进火箭,运行速度可达到 1.6X105k m·h -1; 一艘携带有500g铯和铷的离子推进宇宙飞船,其航程是当今使用固体或液体燃料的约150倍。

特种玻璃

含铷特种玻璃是当前铷应用的主要市场之一。碳酸铷常用作生产这些玻璃特种的添加剂,可降低玻璃导电率、 增加玻璃稳定性和使用寿命等。含铷特种玻璃已广泛使用在光纤通讯和夜视装置等方面。

电子

由于铷原子失去价电子非常容易,可见光的能量就足以使原子电离,受光电磁辐射作用下表面释放自由电子,显示出优良的光电特性、导电性、导热性及强烈的化学活性,使它们在众多技术领域中有着非常独特的用途。通常铷化合物和合金是制造光电池、光电发射管、原子钟、电视摄像管和光电倍增管的重要材料,也是红外技术的必需材料,如锑化铷、碲化铷、铷铯锑合金等。使用了铷碲表面的光电发射管常被安装在不同电子探测和激活装置内,在宽辐射光谱范围内仍具有高灵敏度。

铷铯锑涂层常用在光电倍增管阴极上,用于辐射探测设备、医学影像设备和夜视设备等。利用这些光电管、光电池可以实现一系列自动控制。

碘化铷银RbAg4I5是良好的电子导体,是已知离子型晶体中室温电导率最高的。在环境温度下,其电导率与稀硫酸相当,可用作固体电池的电解质,如薄膜电池。

医学

氯化铷和其他几种铷盐用于DNA和RNA超速离心分离过程中的密度梯度介质; 放射性铷可用于血流放射性示踪;碘化铷有时取代碘化钾用于治疗甲状腺肿大;一些铷盐可作为镇静剂、使用含砷药物后的抗休克制剂和癫痫病治疗等。

其他方面

铷及其化合物除上述应用领域外,还具有下列一些典型应用:铷及其与钾、钠、铯形成的合金可作为真空电子管中痕量气体的吸气剂和除去高真空系统中残余气体的除气剂。铷作为化学示踪剂,示踪不同种类的生产物品。87Rb衰变成86Sr已广泛应用于鉴别岩石和矿物年代。

氯化铷用于钠、铱、钛、锆和过氯酸盐的分析;硝酸铷可作为分析试剂、氧化剂、环境控制分析中放射性物质检测等。氯化铷、碳酸铷是制备金属铷、其它铷盐和同位素分离等的主要原料。

铷及其一些铷盐还可作为化工中一些有机化学反应的催化剂、陶瓷工业中的添加剂。金属铷是制取其他高纯铷盐和铷单晶的基础原料。

随着国内外高新技术产业的迅猛发展,铷及其化合物的一些独特特性已显示出极大的应用前景和重要的科学与商业价值,特别是在航天航空、能源和国防工业等领域的应用需求有不断增加之态势,显示了强大的生命力。

目前,发达国家铷的应用主要集中在高科技领域,有80%的铷用于开发高新技术,只有20%的铷用于传统应用领域。特别值得一提的是,随着世界能源日趋紧缺,人们都在寻求新的能量转换方式,以提高效率和节约燃料,减少环境污染。铷在新能量转换中的应用显示了光明的前景,并已引起世界能源界的注目。

 

(八)铷矿行业分析

 

铷、铯在地壳中的含量分别为5.1X10-5--3.1×10-4和1.2X10-8--1X10-5,按元素丰度排列分别居16位和第40位。铷、铯资源主要赋存于花岗伟晶岩,卤水和钾盐矿床中。现在人们主要从花岗伟晶岩矿床开发回收铷和铯,主要工业矿物是锂云母和铯榴石。

我国丰富的铷、铯资源,其储量名列前茅,且类型齐全,分布全国。我国铷资源主要赋存于锂云母和盐湖卤水中,锂云母中铷含量占全国铷资源储量的55%,以江西宜春储量最为丰富,是目前我国铷矿产品的主要来源。湖南、四川的锂云母矿中也含有铷。青海、西藏的盐湖卤水中含有极为丰富的铷,是有待于开发的我国未来的铷资源。

与世界蕴藏的巨大铷资源储量相比,铷及其化合物工业生产规模和应用市场, 需要大力研究开发, 并拓展铷及其化合物的应用领域, 这对推动铷资源的综合利用具有重要经济、社会和环境效益。

随着铷及其化合物需求的不断扩大, 其分离、提纯技术得以不断发展, 从最早的分级结晶分离法、沉淀法, 到目前的离子交换法、溶剂萃取法等, 铷及其化合物的产品质量不断提高, 生产成本逐步降低。

铷及其化合物所具有的独特特性, 如辐射能频率的高稳定性, 易离子化, 优良的光电特性和强烈化学活性等, 已在国防工业、航天航空工业、生物工程、医学及能源工业等高新技术领域显现出广阔的应用前景和市场需求, 特别是在能源领域中的应用更具巨大潜力和想像力。

 

(九)新发现

 

记者今日从广东省矿业协会信息发布会获悉,最近在广东河源市龙川麻布岗镇天堂山探明了一个超大型独立铷矿床,经中国矿业联合会组织专家评审通过的铷储量达17.5万吨(2000吨以上就属大型矿)。该矿储量已经广东省国土资源厅储量登记,并创建了世界第一个铷矿工业指标。经多家研究机构选矿实验显示,该矿属于罕见的“较易选易取”的铷矿床。这是迄今为止世界上探明的首个独立铷矿床,也是继稀土之后在我国探明的又一种优势矿产,标志着找矿史上的历史性重大突破。

 

(十)铷与黑洞

 

实验过程中,斯蒂恩豪尔等人将大约10万个带电铷原子冷却到只比绝对零度高出不到十亿分之十的温度,同时借助磁场捕获这些原子。在一束激光的帮助下,研究人员随后创建一个电势井以吸引铷原子同时促使它们在这种材料中以超音速Z字形穿过电势井。这一过程产生了一个持续8毫秒左右的超音速流,进而快速形成一个能够捕获声音的声学黑洞。创造人造黑洞具有非常重要的意义,能够促使科学家第一次探测霍金辐射。

 

(根据《百度百科<铷>词条》及其它相关资料综合整理)