ルビジウム

ルビジウム
危険
	GHSラベル:
ピクトグラム
シグナルワード	危険
危険有害性情報	H260、H314
注意事項	P223、P231+P232、P280、P305+P351+P338、P370+P378、P422
NFPA 704 (ファイアダイヤモンド)	3 4 2 わ

ルビジウム、 ₃₇ Rb
ルビジウム
発音	/ r uː ˈ b ɪ d i ə m / ( roo- BID -ee-əm )
外観	グレーホワイト
標準原子量 A r °(Rb)
	85.4678 ± 0.0003 ; 85.468 ± 0.001 （要約）;
周期表におけるルビジウム
	クリプトン←ルビジウム→ストロンチウム
原子番号 ( Z )	37
グループ	グループ1: 水素およびアルカリ金属
期間	期間5
ブロック	Sブロック
電子配置	[クロアチア] 5秒1
殻あたりの電子数	2、8、18、8、1
物理的特性
STPでのフェーズ	固体
融点	312.45 K (39.30 °C、102.74 °F)
沸点	961 K (688 °C、1270 °F)
密度（20℃）	1.534 g/cm3 [
液体の場合（ mp）	1.46グラム/ cm3
三点	312.41 K, ? kPa
臨界点	2093 K、16 MPa （外挿）
融解熱	2.19kJ /モル
気化熱	69kJ/モル
モル熱容量	31.060 J/(モル·K)
原子特性
酸化状態	−1、+1（強塩基性酸化物）
電気陰性度	ポーリングスケール: 0.82
イオン化エネルギー	1位: 403 kJ/mol; 2位: 2632.1 kJ/mol; 3位: 3859.4 kJ/mol; ;
原子半径	経験的: 午後248 時
共有結合半径	午後220±9時
ファンデルワールス半径	午後3時3分
	ルビジウムのスペクトル線
その他のプロパティ
自然発生	原始的な
結晶構造	体心立方(bcc) ( cI2 )
格子定数	a = 569.9 pm （20℃）
熱膨張	85.6 × 10 -6 /K (20 °C 時)
熱伝導率	58.2 W/(m⋅K)
電気抵抗率	128 nΩ⋅m（20℃時）
磁気秩序	常磁性体
モル磁化率	+17.0 × 10 −6 cm 3 /モル（303 K）
ヤング率	2.4GPa
体積弾性率	2.5GPa
音速の細い棒	1300 m/s (20 °C時)
モース硬度	0.3
ブリネル硬度	0.216MPa
CAS番号	7440-17-7
歴史
発見	ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフ（1861）
最初の隔離	ジョージ・デ・ヘベシー
ルビジウムの同位体ヴ; e;
γ	–
β +	84クローネ
γ	–
β −	84シニア
γ	–
	カテゴリー: ルビジウム; ビュー; 話す; 編集; \|参照

ルビジウムは化学元素であり、記号 Rb、原子番号37で表されます。カリウムやセシウムと同様に、アルカリ金属グループの非常に柔らかい白っぽい灰色の固体です。^{[8]ルビジウムは、このグループで}水よりも密度が高い最初のアルカリ金属です。地球上では、天然のルビジウムは2つの同位体で構成されています。72%は安定同位体⁸⁵ Rbで、28%はわずかに放射性の⁸⁷ Rbで、半減期は488億年で、宇宙の推定年齢の3倍以上です。

ドイツの化学者ロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフは、1861年に新しく開発された技術である炎色分光法によってルビジウムを発見しました。名前は、その発光スペクトルの色である深紅を意味するラテン語のrubidusに由来しています。ルビジウムの化合物は、さまざまな化学的および電子的用途があります。ルビジウム金属は気化しやすく、スペクトル吸収範囲が便利なため、レーザーによる原子操作のターゲットとしてよく使用されます。^{[9]ルビジウムは、どの}生物にとっても栄養素として知られていません。しかし、ルビジウムイオンはカリウムイオンと同様の特性を持ち、同じ電荷を持ち、動物細胞に同様に積極的に取り込まれ、処理されます。

特徴

物理的特性

ルビジウムは非常に柔らかく、延性のある銀白色の金属である。^[10]融点は39.3℃（102.7℉）、沸点は688℃（1,270℉）である。^[11]水銀とアマルガムを形成し、金、鉄、セシウム、ナトリウム、カリウムと合金を形成するが、リチウムとは合金を形成しない（ルビジウムとリチウムは同じグループであるにもかかわらず）。^{[12]ルビジウムとカリウムは}炎色試験で非常によく似た紫色を示すため、この2つの元素を区別するには分光法などのより高度な分析が必要である。^[13]

化学的性質

ルビジウムは安定したアルカリ金属の中で2番目に電気陽性であり、第一イオン化エネルギーはわずか403 kJ/molと非常に低い。^[11]ルビジウムの電子配置は[Kr]5s ¹で、光に敏感である。^[14]電気陽性の性質が強いため、ルビジウムは水と爆発的に反応する。^[15] すべてのアルカリ金属と同様に、反応は通常、金属または反応によって生成された水素ガスを発火させるほど激しく、爆発を引き起こす可能性がある。^[16]ルビジウムはカリウムよりも密度が高いため、水中に沈み、激しく反応する。セシウムは水と接触すると爆発する。^[17]ルビジウムは空気中で自然発火することも報告されている。^[10]

化合物

塩化ルビジウム(RbCl) はおそらく最もよく使われているルビジウム化合物です。他の塩化物の中でも、生体細胞にDNA を取り込ませるために使われています。また、自然界では生体内に少量しか存在せず、存在する場合はカリウムの代わりとなるため、バイオマーカーとしても使われています。他の一般的なルビジウム化合物には、ほとんどのルビジウムベースの化学プロセスの出発物質である腐食性のルビジウム水酸化物(RbOH)、一部の光学ガラスに使用される炭酸ルビジウム(Rb ₂ CO ₃ )、および硫酸ルビジウム銅 Rb ₂ SO ₄ ·CuSO ₄ ·6H ₂ Oがあります。ヨウ化ルビジウム銀(RbAg ₄ I ₅ ) は、既知のイオン結晶の中で最も高い室温伝導率を持ち、薄膜電池やその他の用途で利用されている特性です。^[18]^[19]

ルビジウムは空気にさらされると、一酸化ルビジウム（Rb ₂ O）、Rb ₆ O、Rb ₉ O ₂などの多くの酸化物を形成します。ルビジウムは酸素過剰下ではスーパー酸化物 RbO ₂ を生成します。ルビジウムはハロゲンと塩を形成し、フッ化ルビジウム、塩化ルビジウム、臭化ルビジウム、ヨウ化ルビジウムを生成します。^[20]

同位体

ルビジウムは単一同位体であるが、地殻中のルビジウムは2つの同位体、すなわち安定同位体⁸⁵ Rb（72.2%）と放射性同位体 ⁸⁷ Rb（27.8%）から構成されている。^[21]天然ルビジウムは放射性であり、比活性は約670 Bq / gで、110日間で写真フィルムをかなり露光できる。^[22]^[23]半減期が3か月未満のルビジウム同位体がさらに30種合成されているが、そのほとんどは放射能が高く、用途がほとんどない。^[24]

ルビジウム87の半減期は48.8 × 109年で^あり、これは宇宙の年齢の 3倍以上である。(13.799 ± 0.021) × 10 ⁹ 年であり、^[25]始原核種である。鉱物中のカリウムと容易に置換されるため、かなり広く分布している。Rb は岩石の年代測定に広く使用されてきた。87 ^Rbはベータ崩壊して安定した⁸⁷ Srになる。分別結晶化の過程で、Srは斜長石に集中する傾向があり、Rb は液相のまま残る。したがって、残留マグマ中の Rb/Sr 比は時間の経過とともに増加する可能性があり、分化が進むとRb/Sr 比の高い岩石が生じる。最も高い比 (10 以上) はペグマタイトで発生する。Sr の初期量がわかっているか推定できる場合は、Rb と Sr の濃度と⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr 比を測定することで年代を決定できる。年代は、岩石がその後変化していない場合にのみ、鉱物の真の年代を示します（ルビジウム-ストロンチウム年代測定を参照）。^[26]^[27]

ルビジウム82は、元素の非天然同位体の一つで、半減期が25.36日のストロンチウム82の電子捕獲崩壊によって生成される。半減期は76秒で、ルビジウム82は陽電子放出によって安定したクリプトン82に崩壊する。^[21]

発生

ルビジウムは豊富ではなく、地殻の0.05％を構成する56の元素の1つです。地殻でおよそ23番目に豊富な元素であり、亜鉛や銅よりも豊富です。^[28]^{: 4}ルビジウムは、白鉛鉱、ポルサイト、カーナライト、ジンワルド鉱などの鉱物に自然に存在し、1％ものルビジウム酸化物を含みます。レピドライトには0.3％から3.5％のルビジウムが含まれており、この元素の商業的な供給源です。^[29]一部のカリウム鉱物と塩化カリウムにも、商業的に重要な量のルビジウムが含まれています。^[30]

海水には平均125μg/Lのルビジウムが含まれていますが、カリウムは408mg/Lとはるかに高く、セシウムは0.3μg/Lとはるかに低い値です。^[31]ルビジウムは海水中で18番目に豊富な元素です。^[14]

ルビジウムはイオン半径が大きいため、「不適合元素」の1つです。^[32]マグマの結晶化の過程で、ルビジウムはより重い類似体であるセシウムとともに液相で濃縮され、最後に結晶化します。したがって、ルビジウムとセシウムの最大の鉱床は、この濃縮プロセスによって形成されたゾーンペグマタイト鉱体です。ルビジウムはマグマの結晶化でカリウムの代わりとなるため、濃縮の効果はセシウムの場合よりもはるかに低くなります。ポルサイトとして採掘可能な量のセシウムを含むゾーンペグマタイト鉱体やリチウム鉱物のリピドライトも、副産物としてルビジウムの供給源となります。^[28]

ルビジウムの注目すべき供給源は、カナダのマニトバ州ベルニック湖の豊富なポルサイト鉱床と、イタリアのエルバ島のポルサイト中の不純物として発見され、ルビジウム含有量が17.5%であるルビクリン（(Rb,K)AlSi ₃ O ₈）の2つです。 ^[33]これらの鉱床は両方ともセシウムの供給源でもあります。^[^要出典^]

生産

ルビジウムは地殻中にセシウムよりも豊富に存在するが、用途が限られており、ルビジウムを豊富に含む鉱物がないため、ルビジウム化合物の生産量は年間2～4トンに限られている。 ^[28]カリウム、ルビジウム、セシウムを分離する方法はいくつかある。ルビジウムとセシウムのミョウバン(Cs,Rb)Al(SO ₄ ) ₂ ·12H ₂ Oの分別結晶化により、30段階の工程を経て純粋なルビジウムミョウバンが得られる。他にクロロスズ酸塩法とフェロシアン化物法という2つの方法が報告されている。^[28]^[34]

1950年代から1960年代にかけて数年間、カリウム生産の副産物であるアルカルブがルビジウムの主な供給源であった。アルカルブには21%のルビジウムが含まれており、残りはカリウムと少量のセシウムであった。^[35]今日、セシウムの最大の生産者は、ポルサイトからの副産物としてルビジウムを生産している。^[28]

歴史

ルビジウムは1861年にドイツのハイデルベルクでロバート・ブンゼンとグスタフ・キルヒホフによって炎色分光法により鉱物レピドライトから発見された。その発光スペクトルに明るい赤色の線があったため、彼らは「深紅」を意味するラテン語のrubidusに由来する名前を選んだ。 ^[36]^[37]

ルビジウムはリピドライト中の微量成分です。キルヒホフとブンゼンは、わずか 0.24% の一酸化ルビジウム (Rb ₂ O) を含むリピドライト 150 kg を処理しました。カリウムとルビジウムは両方とも塩化白金酸と不溶性の塩を形成しますが、これらの塩は熱水に対する溶解度にわずかな違いがあります。そのため、溶解度の低い六塩化白金酸ルビジウム(Rb ₂ PtCl _{6 ) は}分別結晶化によって得ることができました。六塩化白金酸を水素で還元した後、このプロセスで 0.51 グラムの塩化ルビジウム(RbCl)が得られ、さらなる研究に使用されました。ブンゼンとキルヒホッフは、44,000リットル（12,000米ガロン）のミネラルウォーターを使って、セシウムとルビジウムの化合物の最初の大規模な分離を開始し、7.3グラムの塩化セシウムと9.2グラムの塩化ルビジウムを生成しました。^[36]^{[37]ルビジウムは、ブンゼンとキルヒホッフによる}分光器の発明からわずか1年後に、セシウムに次いで分光法で発見された2番目の元素でした。^[38]

2人の科学者は塩化ルビジウムを用いて、新元素の原子量は85.36であると推定した（現在認められている値は85.47である）。 ^[36]彼らは溶融塩化ルビジウムの電気分解によって元素ルビジウムを生成しようとしたが、金属の代わりに得られたのは青色の均質な物質であり、「肉眼でも顕微鏡でも金属物質の痕跡は微塵も見られなかった」。彼らはそれが亜塩化物（Rb
₂Cl ) ; しかし、生成物はおそらく金属と塩化ルビジウムのコロイド混合物であった。 ^[39]金属ルビジウムを製造する2度目の試みで、ブンゼンは焦がした酒石酸ルビジウムを加熱してルビジウムを還元することに成功した。蒸留されたルビジウムは自然発火性であったが、密度と融点を測定することができた。1860年代のこの研究の質は、測定された密度が現在認められている値と0.1 g/cm ³未満、融点が1 °C未満しか違わなかったという事実によって評価できる。^[40]

ルビジウムのわずかな放射能は1908年に発見されたが、それは同位体理論が確立された1910年より前のことであり、放射能レベルが低い（半減期が10 ^{10年以上）ため解釈が複雑だった。現在では証明されている}⁸⁷ Rbがベータ崩壊によって安定した⁸⁷ Srに崩壊する現象は、1940年代後半でもまだ議論されていた。^[41]^[42]

ルビジウムは1920年代以前は工業的価値がほとんどなかった。^[28]それ以来、ルビジウムの最も重要な用途は、主に化学および電子工学の分野での研究開発である。1995年、ルビジウム87はボーズ・アインシュタイン凝縮体の生成に使用され、^[43]その発見者であるエリック・アリン・コーネル、カール・エドウィン・ヴィーマン、ヴォルフガング・ケッテルレは2001年のノーベル物理学賞を受賞した。^[44]

アプリケーション

ルビジウム化合物は花火に紫色をつけるために使われることがある。^{[45]ルビジウムは、}磁気流体力学の原理を使った熱電発電機にも使えると考えられてきた。この原理では、熱いルビジウムイオンが磁場を通過する。 ^[46]これらは電気を伝導し、発電機の電機子のように動作して電流を発生させる。ルビジウム、特に気化した^{87 Rb は、}レーザー冷却やボーズ・アインシュタイン凝縮に最も一般的に使われる原子種の 1 つである。この用途に望ましい特徴としては、適切な波長の安価なダイオードレーザー光が容易に入手できること、および十分な蒸気圧を得るのに必要な適度な温度であることなどが挙げられる。^[47]^[48]調整可能な相互作用を必要とする冷原子用途では、豊富なフェシュバッハスペクトルを持つ⁸⁵ Rb が好まれる。^[49]

^{ルビジウムは3} He を偏極させるために使用され、核スピンがランダムではなく整列した磁化された^{3 He ガスを生成します。ルビジウム蒸気はレーザーによって光ポンピングされ、偏極した Rb は}超微細相互作用を通じて³ He を偏極します。^[50]このようなスピン偏極³ He セルは、中性子偏極測定や他の目的のための偏極中性子ビームの生成に有用です。^[51]

原子時計の共振要素はルビジウムのエネルギー準位の超微細構造を利用しており、ルビジウムは高精度のタイミングに役立ちます。セルサイト送信機やその他の電子送信、ネットワーク、テスト機器の二次周波数基準（ルビジウム発振器）の主要コンポーネントとして使用されます。これらのルビジウム標準は、セシウム標準よりも精度が高く安価な「一次周波数標準」を生成するためにGNSSで使用されることがよくあります。 ^[52]^{[53]このようなルビジウム標準は、}通信業界向けに大量生産されることがよくあります。^[54]

ルビジウムのその他の潜在的または現在の用途としては、蒸気タービンの作動流体、真空管のゲッター、光電池の部品などがあります。^{[55]ルビジウムは、特殊なガラスの原料、}酸素中での燃焼によるスーパーオキシドの生成、生物学におけるカリウムイオンチャネルの研究、原子磁力計の蒸気としても使用されています。^[56]特に、^{87 Rbは他のアルカリ金属とともに、スピン交換緩和フリー}（SERF）磁力計の開発に使用されています。^[56]

ルビジウム82は陽電子放出断層撮影に用いられる。ルビジウムはカリウムと非常によく似ており、カリウム含有量の多い組織も放射性ルビジウムを蓄積する。主な用途の1つは心筋灌流イメージングである。脳腫瘍における血液脳関門の変化の結果として、ルビジウムは正常な脳組織よりも脳腫瘍に多く集まるため、核医学において放射性同位元素ルビジウム82を使用して脳腫瘍の位置を特定し、画像化することができる。^[57]ルビジウム82の半減期は76秒と非常に短く、ストロンチウム82の崩壊による生成は患者の近くで行わなければならない。^[58]

ルビジウムは躁うつ病とうつ病への影響について試験された。^[59]^[60]うつ病を患っている透析患者はルビジウムが枯渇していることが示されており、そのためサプリメントの摂取がうつ病の助けになる可能性がある。^[61]いくつかの試験では、ルビジウムは塩化ルビジウムとして1日あたり最大720 mgを60日間投与された。^[62]^[63]

注意事項と生物学的影響

ルビジウムは水と激しく反応し、火災を引き起こす可能性があります。安全性と純度を確保するために、この金属は通常、乾燥鉱油の下で保管されるか、不活性雰囲気のガラスアンプルに密封されます。ルビジウムは油に拡散した少量の空気にさらされても過酸化物を形成するため、保管には金属カリウムの保管と同様の注意が必要です。^[65]

ルビジウムは、ナトリウムやカリウムと同様に、生物学的な状況でも、水に溶解するとほぼ常に +1 の酸化状態になります。人体は Rb ⁺イオンをカリウムイオンのように扱う傾向があるため、ルビジウムは体内の細胞内液(つまり細胞内) に集中します。^[66]このイオンは特に毒性があるわけではありません。体重 70 kg の人体には平均 0.36 g のルビジウムが含まれており、この値が 50 ～ 100 倍に増加しても被験者に悪影響は見られませんでした。^[67]ルビジウムのヒトにおける生物学的半減期は 31 ～ 46 日です。^[59]カリウムをルビジウムで部分的に置き換えることは可能ですが、ラットの筋肉組織内のカリウムの 50% 以上をルビジウムで置き換えると、ラットは死亡しました。^[68]^[69]

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特徴