Rubidium

Rubidium (von lateinisch rubidus ‚tiefrot‘; wegen zweier charakteristischer roter Spektrallinien) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Rb und der Ordnungszahl 37. Im Periodensystem steht es in der 1. Hauptgruppe, bzw. der 1. IUPAC-Gruppe und zählt zu den Alkalimetallen. Das weiche, silbrigweiß glänzende Metall entzündet sich spontan bei Luftzutritt.

Eigenschaften
[Kr] 5s1 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 (31. Rang)[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] 5s1
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/cm3 (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 m3·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 · 106 S·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 · 1010 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
Kernspin γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 85Rb 5/2 2,583 · 107 0,0105 19,3 87Rb 3/2 8,753 · 107 0,175 65,4
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[14] Gefahr H- und P-Sätze H: 260​‐​314 EUH: 014 P: 223​‐​231+232​‐​260​‐​280​‐​303+361+353​‐​305+351+338[14]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Rubidium wurde 1861 von Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Kirchhoff spektroskopisch als ein geringer (<1 %) Bestandteil von Lepidolith aus Sachsen bzw. aus Mähren entdeckt, sowie als Bestandteil im Mineralwasser der neu erschlossenen Maxquelle in Bad Dürkheim. Bunsen gelang es, Rubidiumsalze sowohl aus dem aufgeschlossenen Lepidolith als auch aus Mineralwassersole zu fällen und es von anderen Alkalimetallsalzen zu trennen. Dazu verarbeitete Bunsen 150 kg aufgeschlossenen Lepidolith, um wenige Gramm RbCl zu isolieren, und 44200 Liter Dürkheimer Quellwasser für 9 g RbCl.^[15]

Vorkommen

Rubidium gehört zur Gruppe der inkompatiblen Elemente und tritt in der Regel zusammen mit diesen in erhöhten Konzentrationen auf.^[16] Das Element kommt in kleiner Konzentration in einigen Mineralien wie Pollucit und Zinnwaldit vor.^[17] Lepidolith (bis zu 1,5 %) und Leucit enthalten ebenfalls Rubidium.

Erst in den letzten Jahren wurden auch eigenständige Rubidium-Minerale entdeckt. Dazu gehört der Rubiklin (Rb(AlSi₃O₈)), der 1998 auf der Insel Elba gefunden wurde und strukturell dem Mikroklin entspricht, aber mehr Rubidium als Kalium enthält.^[18] Außer Rubiklin sind bisher mit Voloshinit (Rb(LiAl_1,5☐_0,5)(Al_0,5Si_3,5)O₁₀F₂) und Ramanit-(Rb) (RbB₅O₆(OH)₄·2H₂O) nur zwei weitere Minerale mit formelrelevantem Gehalt an Rubidium bekannt (2023).^[19][20]

Darstellung

1 g Rubidium in einer Ampulle

Im Labor erfolgt die Darstellung kleiner Mengen reinen Rubidiums über die Reduktion des Chromats oder Dichromats mittels Zirconium:^[21][22]

${\displaystyle {\ce {Rb2Cr2O7 + 2 Zr -> 2 Rb + 2 ZrO2 + Cr2O3}}}$

oder die thermische Zersetzung von Rubidiumazid:^[23]

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

sowie anschließender Destillation im Hochvakuum.

Metallisches Rubidium kann außerdem durch Reduktion von Rubidiumchlorid mit Calcium im Vakuum hergestellt werden.^[1]

Eigenschaften

Die Flammenfärbung von Rubidium

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. Rubidium ist ein starkes Reduktionsmittel.

Rubidium hat zwei dunkelrote Spektrallinien (daher der Name des Elements).^[24]

Isotope

Von den beiden natürlich vorkommenden Isotopen ist nur ⁸⁵Rb stabil, ⁸⁷Rb ist ein Betastrahler und zerfällt zu ⁸⁷Sr. Mit einer extrem langen Halbwertszeit von etwa 48 Milliarden Jahren ist seine Radioaktivität sehr gering.

Mehrere Isotope werden für bestimmte Anwendungen eingesetzt. Das Verhältnis von Rb- und Sr-Isotopen in Gesteinen wird zur radiometrischen Datierung auf kosmologischen Zeitskalen herangezogen.^[25] Für Zeitstandards werden ⁸⁷Rb und ⁸⁵Rb verwendet.^{[26] 82}Rb und ⁸⁶Rb werden zum Teil als Tracer verwendet.^[27][28]

Verwendung

Rubidium und seine Verbindungen besitzen ein nur kleines Anwendungsspektrum und werden hauptsächlich in der Forschung und Entwicklung eingesetzt. Verwendungsmöglichkeiten bestehen als:

Die wichtigste Anwendung von Rubidium ist in Rubidiumuhren (einer Art von Atomuhren)^[29], bei denen ein Hyperfein-Übergang von ⁸⁷Rb als Frequenzgeber dient. Solche Rubidiumuhren dienen insbesondere als Zeitgeber in den Satelliten des Global Positioning System (GPS)^[26] und anderer Satelliten-Navigationssysteme (Galileo, Glonass, BeiDou).^[30][31]

In der Medizin dient ⁸²Rb als Tracer in PET-Perfusionsstudien des Myokards.^[27][32] Rubidium wird nicht in dekorativer Pyrotechnik verwendet, kommt aber in spezieller Pyrotechnik im militärischen Bereich zum Einsatz, zum Beispiel für Infrarot-Tarnnebel und Infrarot-Flares.^[33]

Verwendung im wissenschaftlichen Bereich

Rubidium eignet sich zur Demonstration der Laserkühlung, da hier günstige Laserdioden für die relevanten Wellenlängen zur Verfügung stehen, sodass die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats vergleichsweise einfach möglich ist.^[34] Die Verwendung von Rubidium in Speichern für Quanten-Computer wird ebenfalls erforscht.^[35][36] Natrium-Rubidium-Tartrat wurde im Jahr 1951 für die erste Aufklärung einer absoluten stereochemischen Konfiguration verwendet.^[37]

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.^[38]

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 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.^[39]

Physiologie

Für Pflanzen ist Rubidium vermutlich nicht essentiell, bei Tieren scheint es für den normalen Verlauf der Trächtigkeit notwendig zu sein.^[40] 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)^[41] – liefern Erwachsenen im Mittel 40 % der verzehrten Rubidiummenge. Rubidium wirkt im zentralen Nervensystem und beeinflusst dort die Konzentration von Neurotransmittern,^[42] wobei es die entgegengesetzte Wirkung zum Lithium hat.^[43] Ein therapeutischer Einsatz von Rubidium bei bipolarer Störung wurde im 20. Jahrhundert untersucht. Aus dieser Untersuchung ergab sich keine Empfehlung für einen breiten Einsatz zur Behandlung dieser Störung.^[44] Ein Rubidiummangel kann bei Dialysepatienten vorliegen.^[45][46]

Sicherheitshinweise

Rubidium ist selbstentzündlich und reagiert äußerst heftig mit Wasser. Aus Sicherheitsgründen ist Rubidium in trockenem Mineralöl, im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre aufzubewahren.

Rubidium-Ionen sind nur in sehr großen Mengen gesundheitsschädlich.^[47]

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
• Rubidiumcarbonat Rb₂CO₃
• Rubidiumhydrogencarbonat RbHCO₃
• Rubidiumdithionat Rb₂S₂O₆
• Rubidiumacetat CH₃COORb
• Rubidiumformiat HCOORb

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