ルビジウム：歴史、特性、構造、入手、用途 - 化学 - 2025

ルビジウムは、アルカリ金属、化学記号のRbで表される周期表の1族に属する金属元素です。その名前はルビーに似ていますが、それが発見されたとき、その発光スペクトルが深い赤色の特徴的な線を示したためです。

それは存在する最も反応性の高い金属の一つです。それは、あまり密度が高くないにも関わらず、水に沈む最初のアルカリ金属です。また、リチウム、ナトリウム、カリウムに比べて爆発的に反応します。ブリスターが保管されている場所（下の画像）で破裂し、浴槽で落下して爆発するという実験があります。

不活性雰囲気下で保管されたルビジウム1グラムを含むアンプル。出典：化学元素の高解像度画像

ルビジウムは、金自体よりも高価な金属であることで際立っています。その希少性のためではなく、地球の地殻におけるその幅広い鉱物分布と、カリウムおよびセシウム化合物からそれを分離するときに生じる困難のためです。

それは不純物として見出されるその鉱物のカリウムと結びつく明確な傾向を示します。地球化学の問題だけでなく、カリウムとのデュオを形成するだけでなく、生化学の分野でもそうです。

この生物は、Rb ^+の K ⁺イオンを「間違えている」。ただし、ルビジウムは代謝におけるその役割が不明であるため、現在まで必須の要素ではありません。それでも、ルビジウムサプリメントはうつ病やてんかんなどの特定の病状を緩和するために使用されてきました。一方、両方のイオンはライターの熱で紫色の炎を発します。

その高いコストのために、そのアプリケーションは触媒や材料の合成にあまり基づいていませんが、理論的な物理ベースを持つさまざまなデバイスのコンポーネントとして使用されています。それらの1つは、原子時計、太陽電池、磁力計です。これが、ルビジウムが過小評価または研究不足の金属と見なされることがある理由です。

歴史

ルビジウムは1861年にドイツの化学者ロバートブンセンとグスタフキルヒホフによって分光法を使用して発見されました。これを行うために、彼らは2年前に発明されたブンゼンバーナーと分光器、および分析降水技術を使用しました。彼らの研究対象は、ドイツのザクセン州から採取された鉱物レピドライトでした。

彼らは、塩化白金酸H ₂ PtCl ₆で処理したレピドライト鉱物150 kgから始め、ヘキサクロロ白金酸カリウムK ₂ PtCl ₆を沈殿させた。しかし、ブンゼンバーナーで燃焼してスペクトルを調べたところ、当時は他のどの元素とも一致しない輝線を示していることに気付きました。

この新しい要素の発光スペクトルは、赤の領域に明確に定義された2本の線があることを特徴としています。そのため、彼らは「濃い赤」を意味する「ルビダス」という名前で洗礼を施しました。その後、ブンセンとキルヒホフは、分別結晶によってRb ₂ PtCl ₆をK ₂ PtCl ₆から分離することに成功しました。最後に、水素を使用して塩化物塩に還元します。

新しい元素ルビジウムの塩を特定して分離したドイツの化学者は、それを金属状態に還元するだけで済みました。これを達成するために、彼らは2つの方法で試した：塩化ルビジウムに電気分解を適用するか、酒石酸塩のように還元しやすい塩を加熱する。こうして、金属ルビジウムが誕生しました。

物理的及び化学的性質

外観

やわらかいシルバーグレーのメタル。なめらかでバターのようです。通常、ガラス製アンプルにパッケージされており、その内部では、空気との反応を防ぐ不活性雰囲気が優勢です。

原子番号（Z）

37

モル質量

85.4678 g / mol

融点

39ºC

沸点

688ºC

密度

室温で：1.532 g / cm ³

融点：1.46 g / cm ³

ルビジウムの密度は水の密度よりも高いので、水と激しく反応しながら沈みます。

融合熱

2.19 kJ / mol

気化熱

69 kJ / mol

電気陰性

ポーリングスケールで0.82

電子親和性

46.9 kJ / mol

イオン化エネルギー

-最初：403 kJ / mol（Rb ⁺ガス）

-2番目：2632.1 kJ / mol（Rb ²⁺ガス状）

-3番目：3859.4 kJ / mol（Rb ³⁺ガス）

原子ラジオ

248 pm（経験値）

熱伝導率

58.2 W /（m K）

電気抵抗率

20°Cで128nΩm

モース硬度

0.3。したがって、タルクでさえ金属ルビジウムよりも硬いです。

反応性

ルビジウムの火炎試験。反応すると紫色の炎を発します。出典：Didaktische.Medien

ルビジウムは、セシウムとフランシウムに次いで、最も反応性の高いアルカリ金属の1つです。空気に触れるとすぐに燃え始め、叩くと火花が飛びます。加熱すると、紫色の炎も放出されます（上の画像）。これは、Rb ⁺イオンの陽性テストです。

酸素と反応して過酸化物（Rb ₂ O ₂）と超酸化物（RbO ₂）の混合物を形成します。酸や塩基とは反応しませんが、水と激しく反応し、水酸化ルビジウムと水素ガスを発生させます。

Rb（s）+ H ₂ O（l）=> RbOH（aq）+ H ₂（g）

水素と反応して対応する水素化物を形成します。

Rb（s）+ H ₂（g）=> 2RbH（s）

また、ハロゲンと硫黄を爆発的に使用します：

2Rb（s）+ Cl ₂（g）=> RbCl（s）

2Rb（s）+ S（l）=> Rb ₂ S（s）

ルビジウムは有毒元素とは見なされていませんが、水や酸素と接触すると潜在的に危険であり、火災の危険をもたらします。

構造と電子構成

ルビジウム原子は、体心立方構造（bcc）の結晶を確立するように配置されています。この構造は、軽くて水に浮く傾向があるアルカリ金属に特徴的です。ルビジウムから（セシウムとフランシウム）を除いて。

ルビジウムbcc結晶では、Rb原子は金属結合のおかげで互いに相互作用します。これは、その電子構成に応じて、5 s軌道からの価電子殻からの「海の電子」によって管理されます。

5秒¹

金属ルビジウム結晶のすべての次元で、単一電子のすべての5s軌道が重なります。ただし、これらの相互作用は弱いです。アルカリ金属グループを下に移動すると、軌道がより拡散し、金属結合が弱くなるためです。

そのため、ルビジウムの融点は39℃です。同様に、その弱い金属結合は、その固体の柔らかさを説明します。とても柔らかく、シルバーバターのように見えます。

高圧下でのその結晶の振る舞いに関する十分な書誌情報はありません。ナトリウムなどの固有の特性を持つより高密度の相がある場合。

酸化数

その電子配置は、ルビジウムがその単一電子を強く失い、希ガスクリプトンと等電子になる傾向があることをすぐに示しています。そうすると、一価の陽イオンRb ^{+が形成され}ます。このカチオンの存在を仮定すると、その化合物では酸化数+1になると言われています。

ルビジウムが酸化する傾向があるため、Rb ⁺イオンがその化合物に存在するとの仮定は正しく、これはこれらの化合物のイオン特性を示しています。

ほとんどすべてのルビジウム化合物において、それは+1の酸化数を示します。それらの例は次のとおりです。

-Rubidium塩化物、RbClを（RB ⁺のCl ^- ）

-Rubidium水酸化物、RbOH（RB ⁺ OH ^- ）

-炭酸ルビジウム、Rb ₂ CO ₃（Rb ₂ ⁺ CO ₃ ^2-）

-一酸化ルビジウム、Rb ₂ O（Rb ₂ ⁺ O ^2-）

^-ルビジウムスーパーオキシド、RbO ₂（Rb ⁺ O _2-）

-1（RB：非常にまれなものの、ルビジウムはまた、負の酸化数を持つことができます^- ）。この場合、それがそれよりも電気陰性度の低い元素と化合物を形成した場合、またはそれが特別で厳しい条件下に置かれた場合、「ルビダイド」と言えます。

クラスター

個々のRb原子が個別に酸化値と小数値を示す化合物があります。たとえば、Rb ₆ O（Rb ₆ ²⁺ O ^2-）とRb ₉ O ₂（Rb ₉ ⁴⁺ O ₂ ^2-）では、正の電荷が一連のRb原子（クラスター）に分配されます。したがって、Rb ₆ Oでは、理論上の酸化数は+1/3になります。Rb ₉ O _2の場合、+ 0.444（4/9）。

Rb9O2のクラスター構造。ソース：アクシオサウルス

上は、球と棒のモデルで表されるRb ₉ O ₂のクラスター構造です。9つのRb原子がどのようにO ^2-アニオンを「囲む」かに注意してください。

溶出によって、元の金属ルビジウム結晶が母結晶から分離されている間、それらの一部は変化していなかったかのようです。その過程で電子を失います。O ^2-を引き付けるために必要なもの、および結果の正電荷は、前記クラスターのすべての原子（Rb原子の​​集合または集合体）に分配されます。

したがって、これらのルビジウムクラスターでは、Rb ⁺の存在を正式に仮定することはできません。Ｒｂ₆ＯおよびＲｂ₉Ｏ_2は、ルビジウム亜酸化物として分類され、酸化物アニオンに対して過剰な金属原子を有するというこの明らかな異常が満たされる。

見つけて入手する場所

地殻

レピドライト鉱物サンプル。出典：Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

ルビジウムは地球の地殻で23番目に豊富な元素であり、金属亜鉛、鉛、セシウム、および銅に匹敵する豊富さを備えています。詳細は、そのイオンが広く拡散されているため、主要な金属元素としてどの鉱物にも優勢ではなく、鉱石も不足しています。

その理由は、ルビジウムがその採掘の困難さのためにその鉱石から入手するプロセスが複雑であるため、金自体よりもはるかに高価な金属であることです。

自然界では、その反応性を考えると、ルビジウムは天然の状態では見つかりませんが、酸化物（Rb ₂ O）、塩化物（RbCl）として、または他のアニオンを伴います。その「遊離」Rb ⁺イオンは、濃度125 µg / Lの海、温泉、河川で見られます。

1％未満の濃度で含まれている地殻の鉱物の中で、

-ロイシタ、K

-ポルサイト、Cs（Si ₂ Al）O ₆ nH ₂ O

-カーナライト、KMgCl ₃・6H ₂ O

-ジンワルダイト、KLiFeAl（AlSi ₃）O ₁₀（OH、F）₂

-Amazonite、Pb、KAlSi ₃ O ₈

-ペタライト、LiAlSi ₄ O ₁₀

-黒雲母、K（Mg、Fe）₃ AlSi ₃ O ₁₀（OH、F）₂

-ルビクリン、（Rb、K）AlSi ₃ O ₈

-レピドライト、K（Li、Al）₃（Si、Al）₄ O ₁₀（F、OH）₂

地球化学協会

これらのミネラルはすべて、1つまたは2つの共通点があります。これらは、カリウム、セシウム、またはリチウムのケイ酸塩、またはこれらの金属のミネラル塩です。

これは、ルビジウムはカリウムとセシウムと結びつく傾向が強いことを意味します。マグマが結晶化したときにペグマタイトの堆積物で起こるように、鉱物や岩石の結晶化中にカリウムの代わりをすることさえできます。したがって、ルビジウムはこれらの岩石とその鉱物の開発と精製の副産物です。

ルビジウムは、花崗岩、粘土、玄武岩などの一般的な岩石や、石炭系の堆積物にも見られます。すべての天然資源の中で、レピドライトはその主要な鉱石であり、そこから商業的に利用されています。

一方、カーナライトでは、ルビジウムはRbCl不純物として0.035％の含有量で見つかります。そして、より高い濃度では、17％までのルビジウムを含むことができるポルサイトとルビクリンの堆積物があります。

カリウムとの地球化学的関連は、それらのイオン半径の類似性によるものです。Rb ⁺はK ⁺よりも大きいが、サイズの違いは、前者が後者の鉱物結晶を置き換えることができることを妨げるものではない。

分別結晶

レピドライトまたはパルサイトから始めても、上記のミネラルから始めても、課題は多かれ少なかれ同じままです。カリウムとセシウムからルビジウムを分離します。つまり、一方ではルビジウム化合物または塩を、他方ではカリウム塩とセシウム塩を使用できる混合分離技術を適用します。

これらのイオン（K ⁺、Rb ⁺およびCs ⁺）は化学的に非常に類似しているため、これは困難です。それらは同じように反応して同じ塩を形成しますが、それらは密度と溶解度のおかげで互いにほとんど変わりません。これが分別結晶化が使用される理由で、ゆっくりと制御された方法で結晶化できます。

たとえば、この技術は、これらの金属から炭酸塩とミョウバンの混合物を分離するために使用されます。再結晶プロセスを数回繰り返して、より高純度で共沈イオンのない結晶を保証する必要があります。表面または内部のK ⁺またはCs ⁺イオンで結晶化するルビジウム塩。

イオン交換樹脂の使用や、錯化剤としてのクラウンエーテルなどのより近代的な技術でも、Rb ⁺イオンを分離することができます。

電気分解または還元

ルビジウム塩を分離して精製したら、次の最後のステップは、Rb ⁺カチオンを固体金属に還元することです。これを行うには、塩を溶融して電気分解にかけ、カソードにルビジウムを沈殿させます。または、カルシウムおよびナトリウムなどの強力な還元剤が使用され、電子を急速に失い、したがってルビジウムを還元することができる。

同位体

：ルビジウムは、二つの自然の同位体として地球上で発見された⁸⁵ Rb及び⁸⁷ Rbの。1つ目は72.17％の豊富さで、2つ目は27.83％です。

⁸⁷ Rbは、この金属が放射性であることに責任があります。しかし、その放射線は無害であり、年代測定分析にさえ有益です。その半減期（t _1/2）は4.9・10 ¹⁰年で、その期間は宇宙の時代を超えています。崩壊すると安定同位体⁸⁷氏になります

このおかげで、この同位体は地球の初めから存在する地球の鉱物と岩石の年代に使用されてきました。

⁸⁵ Rbと⁸⁷ Rbの同位体に加えて、他の合成および放射性同位体があり、それらの寿命はさまざまで、はるかに短いです。たとえば、⁸² Rb（t _1/2 = 76秒）、⁸³ Rb（t _1/2 = ^86. ₂日）、⁸⁴ Rb（t _1/2 = 32.9日）、⁸⁶ Rb（t _{1 / 2} = 18.7日）。それらすべての中で、⁸² Rbは医学研究で最も使用されています。

リスク

金属

ルビジウムは非常に反応性の高い金属であり、空気中の酸素と反応しないように、不活性雰囲気下でガラスアンプルに保管する必要があります。ブリスターが破損した場合、金属を灯油または鉱油に入れて保護します。しかし、溶存酸素によって酸化され、過酸化ルビジウムが発生します。

逆に、例えば木の上に置くと、紫色の炎で燃えてしまいます。湿気が多いと、空気に触れるだけで焦げてしまいます。大量の水に大量のルビジウムを投入すると、激しく爆発し、生成された水素ガスに引火します。

したがって、ルビジウムは実際にはすべての反応が爆発的であるため、誰もが処理すべきではない金属です。

イオン

金属ルビジウムとは異なり、Rb ⁺イオンは生物に明らかなリスクをもたらすことはありません。これらは水に溶け、K ⁺イオンと同じように細胞と相互作用します。

したがって、ルビジウムとカリウムは同様の生化学的挙動を示します。ただし、ルビジウムは必須元素ではありませんが、カリウムは必須元素です。このようにして、かなりの量のRb ⁺が細胞、赤血球、内臓に蓄積され、動物の体に悪影響を与えることはありません。

実際、体重80 kgの成人男性には約37 mgのルビジウムが含まれていると推定されています。さらに、この濃度が50倍から100倍に増加しても、望ましくない症状は発生しません。

ただし、過剰なRb ⁺イオンは、最終的にK ⁺イオンを置換する可能性があります。その結果、個人は死ぬまで非常に強い筋肉のけいれんを起こします。

当然のことながら、ルビジウム塩や可溶性化合物はこれをすぐに引き起こす可能性があるため、摂取する必要はありません。さらに、単純な接触で火傷を引き起こす可能性があり、最も有毒なのはフッ化ルビジウム（RbF）、水酸化物（RbOH）、およびルビジウムのシアン化物（RbCN）です。

用途

ガスコレクター

ルビジウムは、真空封止されたチューブにある可能性のある微量のガスを捕捉または除去するために使用されてきました。酸素と水分を捕捉する傾向が高いため、それらは過酸化物として表面から除去されます。

火工品

ルビジウム塩が燃焼すると、特徴的な赤紫の炎が発生します。花火の中には、これらの塩が組成に含まれているため、これらの色で爆発するものがあります。

補足

研究がこの病状に苦しんでいる個人でこの要素の不足を決定したので、塩化ルビジウムはうつ病と戦うために処方されました。また、鎮静剤として、てんかんの治療にも使用されています。

ボーズ・アインシュタイン凝縮

⁸⁷ Rb アイソトープの原子を使用して、最初のボーズアインシュタイン凝縮が作成されました。この物質の状態は、絶対零度（0 K）に非常に近い温度の原子がグループ化または「凝縮」され、あたかも1であるかのように動作することで構成されます。

したがって、ルビジウムは物理学の分野におけるこの勝利の主役であり、この研究のおかげで2001年にノーベル賞を受賞したのは、エリックコーネル、カールウィーマン、ウォルフガングケッターレでした。

腫瘍診断

合成放射性同位元素⁸² Rbは崩壊し、陽電子を放出し、カリウムに富む組織に蓄積するために使用されます。脳や心臓にあるものなど。したがって、陽電子放射断層撮影法を使用して、心臓の機能と脳内の腫瘍の可能性を分析するために使用されます。

成分

ルビジウムイオンは、さまざまな種類の材料または混合物の中にある場所を見つけました。たとえば、彼の合金は金、セシウム、水銀、ナトリウム、カリウムで作られています。それはおそらくそれらの融点を上げるためにガラスやセラミックに加えられました。

太陽電池では、ペロブスカイトが重要なコンポーネントとして追加されています。同様に、熱電発電機、宇宙での伝熱材料、イオン推進エンジンでの燃料、アルカリ電池用の電解媒体、および原子磁力計での使用の可能性が研究されています。

原子時計

ルビジウムとセシウムを使用して、有名な高精度の原子時計が作られました。たとえば、GPS衛星で使用され、スマートフォンの所有者は、道路を移動しながら自分の位置を知ることができます。

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