Рубідій - "Злий джин"
С.І. Венецкій
Скільки років нашій планеті? На жаль,
"метрика" про народження Землі не збереглося, а сама
ж вона (як і будь-яка не дуже молода особа) ретельно приховує свій вік.
Але коли є загадка, то завжди знаходяться і бажають її розгадати. Суперечка про те,
коли в просторах Всесвіту утворилася наша "обитель", триває вже
багато століть. Якщо вірити Біблії, це сталося зовсім недавно - близько шести
тисячоліть тому. Згідно ж з сучасними науковими уявленнями, Земля
"живе на світі" вже приблизно 4,5 мільярда років (вельми
поважний вік, чи не так ?).
У ролі свідків, готових підтвердити правильність
цієї точки зору, виступають найдавніші гірські породи планети. До останнього
часу самими "старими" вважалися породи, знайдені в Африці, в
районі Трансвааля: їм приблизно 3,4-3,5 мільярда років. Але в 1966 році молодий
новозеландський вчений Вік Макгрегор на західному узбережжі Гренландії, біля входу в
Амералік-Фіорд, виявив породи, які виявилися старше, ніж трансваальскіе,
майже на добрих півмільярда років. А встановити це вдалося за допомогою так
званих рубідій-стронцієвих "годин". Що ж вони собою
представляють?
Ще на початку нашого століття великий англійський фізик
Ернест Резерфорд запропонував для визначення віку мінералів і гірських порід
скористатися відкритим за кілька років до цього явищем радіоактивності.
Справа в тому, що атоми радіоактивних хімічних елементів, що входять до складу
земної матерії, постійно випромінюють ті чи інші ядерні частинки, перетворюючись на
атоми іншого елемента. Найцікавіше, що швидкість такого перетворення НЕ
залежить ні від температури, ні від тиску, ні від будь-яких інших чинників. Але
зате кожен хімічний "індивідуум" характеризується своїм періодом
напіврозпаду - часом, протягом якого розпадається рівно половина
наявної кількості радіоактивного елемента. В одних речовин цей період
триває лише мільйонні долі секунди, в інших досягає сотень трильйонів років.
Період напіврозпаду одного з
"довгожителів"-рубідію-87 (на його частку припадає близько 28% природних
запасів заліза) - 48 мільярдів років. Мимоволі випускаючи електрони, цей
ізотоп повільно, але впевнено перетворюється на стабільний (не піддається подальшому
розпаду) ізотоп стронцію з тим же масовим числом (87). Оскільки відомо
звичайне співвідношення між цим ізотопом і його найближчими
"родичами" (ізотопами з масовими числами 88, 86, 84), неважко
вирахувати, скільки в гірській породі "наднормативного" стронцію-87,
тобто того, який утворився в результаті радіоактивного розпаду рубідію-87.
Ну, а визначивши до того ж кількість вихідної
"сировини", можна підрахувати, як довго тривав процес перетворення, т.
тобто дізнатися вік гірської породи.
Якщо гренладндським гірських порід за допомогою ізотопів
рубідію та стронцію вдалося довести свою глибоку давнину, то найвищі
гори нашої планети - Гімалаї - завдяки цій же парі хімічних елементів
змогли переконати науковий світ у тому, що вони значно молодше, ніж
передбачалося до останнього часу. Так, тривалий час вважалося, що гірські
масиви Центральної Азії утворилися сотні мільйонів років тому. Порівняно
нещодавно японські вчені, скориставшись рубідій-стронцієвих
"годинами", ретельно досліджували зразки гімалайських порід і
встановили помилковість існуючої точки зору.
Вчені дійшли висновку, що цей район земної кулі
двічі нападали найсильнішим геологічним стисканням. Перше стиснення, в
результаті якого сформувалася базова структура (або, інакше кажучи, свого
роду фундамент) Гімалаїв, відбулося 450-500 мільйонів років тому, а другий,
завдяки якому на цьому фундаменті були споруджені найвищі гори Землі, --
усього яких-небудь 15 мільйонів років тому.
Існують і інші подібні методи - радіовуглецевий,
уран-гелієвий, уран-свинцевий, калій-аргоновий і т. д., але для дуже солідних
проміжків часу, мабуть, найбільш відповідними є рубідій-стронцієвих
"годинник". Отже, рубідій допомагає встановити приблизний вік Землі. А
як давно він сам цю людину? На це питання можна дати гранично точний
відповідь.
Народження рубідію відбулося в 1861 році. Ця подія
не вислизнуло від допитливого погляду двох чудових німецьких вчених - хіміка
Роберта Бунзена і фізика Густава Кірхгофа, що розробили в 1859 році
спектральний метод аналізу речовин, за допомогою якого через рік їм вдалося
відкрити цезій.
Продовжуючи досліджувати різні мінерали, вони
виявили в спектрі саксонського лепідоліта дві невідомі раніше темно-червоні
лінії. Так сигналізував про свою появу на світ новий елемент, який і
був названий рубідій, що в перекладі з латинської означає "червоний".
рубідій Це дає підставу вважати себе майже
однофамільцем рубіна - відомого ювелірного виробу. Але якщо рубін і справді
червоний, то про рубідій цього не скажеш: як і більшість металів, він
сріблясто-білого кольору. Рубідій дуже легкий (легше магнію) і дуже м'який
(як віск) метал. Йому явно протипоказано перебування в жарких місцях нашої
планети: температура плавлення рубідію всього 38,9 ° С, тому під палючим
променями південного сонця він може розтанути буквально на очах. Щоб закінчити
словесний портрет рубідію, вкажемо ще одну особливу прикмету: пари його сполук
надають полум'я пальника характерний пурпуровий відтінок.
Вперше металевий рубідій зумів одержати в 1863
році Р. Бунзен. Для цього йому довелося "перевернути гори", а вірніше,
випарувати ціле "озеро" - понад 40 кубометрів шварцвальдской
мінеральної води, в якій також був виявлений новонароджений елемент. Але це
був тільки початок. З упаренного розчину вчений осадив суміш хлороплатінатов
калію, цезію і заліза. Тепер треба було розділити нерозлучну трійцю.
Скориставшись більш високою розчинністю калійних з'єднань, Бунзен шляхом
багаторазової фрикційної кристалізації спочатку зняв "з поля"
калій. Розділити цезій і рубідій було ще складніше, але й це завдання вдалося
вирішити. Завершила справу сажа, яка відновила рубідій з його кислого
тартрат (солі винної кислоти).
Через чверть століття відомий російський хімік М.М.
Бекетов запропонував інший спосіб отримання металевого рубідію --
відновленням його з гідроксиду алюмінієвим порошком. Учений проводив цей
процес в залізному циліндрі з газовідвідної трубкою, яка поєднувалася з
скляним резервуаром-холодильником. Циліндр підігрівався на газовій пальнику,
і в ньому починалася бурхлива реакція, що супроводжувалася виділенням водню і
сублімацією рубідію в холодильник. Як писав сам Бекетов, "рубідій женеться
поступово, стікаючи, як ртуть, і, зберігаючи навіть свій металевий блиск
внаслідок того, що снаряд під час операції наповнений воднем ". У наші
дні цей метал "видобувають" головним чином з хлориду, впливаючи на
нього металевим кальцієм у вакуумі при 700-800 ° С.
Як не складно виділити чистий рубідій з його
з'єднань, але це тільки півсправи: не менше клопоту пов'язано з його зберіганням.
"Свіжий" метал негайно запаюють в ампули з особливого скла, в
яких створено вакуум або знаходиться інертний газ. Іноді "камерою
попереднього ув'язнення "служать металеві посудини, заповнені
"сухим" (ретельно зневоднених) гасом або парафіновим маслом.
Тільки при дотриманні цих умов можна бути впевненим, що "продукт
підлягає тривалому зберіганню ". Чим же викликані такі суворі заходи
"покарання"?
Виною всьому - буйний характер бранця. Вивільнити
його з ув'язнення-все одно, що випустити злого джина з пляшки. За хімічної
активності рубідій в сім'ї металів поступається тільки своєму "старшому
брату "цезію. Опинившись на волі, тобто на повітрі, рубідій тут же
загорається і згоряє яскравим рожево-фіолетовим полум'ям, утворюючи жовтий
порошок - надпероксід рубідію.
виник "пожежа" не можна гасити водою:
метал реагує з нею ще більш бурхливо, з вибухом, причому розлучена з
киснем водень негайно загоряється, "підливаючи масла у вогонь".
При цьому рубідій зовсім не рахується з фізичним станом води: навіть
замерзнувши і перетворившись на лід, вона не перестає бути об'єктом нападок
агресивного металу. Подібно до того як відбійний молоток шахтаря врубається в
пласт вугілля, рубідій рішуче "вгризається" в товщу крижаних
кристалів, і лише пекельний мороз (нижче -108 ° С) здатний втихомирити бунтівника.
одержують при цьому гідроксид рубідію теж прагне
показати характер: якщо її помістити в скляний посуд, то від скла незабаром
залишаться самі спогади. Та й сам рубідій при високих температурах (300 ° С
і вище) швидко руйнує скло, безсоромно "випроваджуючи" кремній
з його оксидів і силікатів. Ось чому "гамівні сорочки" (ампули)
для цього металу необхідно робити зі спеціального скла, здатного постояти
за себе.
Висока хімічна активність рубідію обумовлена
будовою його атома. Як і в інших лужних металів, на його зовнішній
електронній оболонці "проживає" один-єдиний валентний електрон,
який знаходиться далі від ядра, ніж у літію, натрію або калію, і тому по
першу вимогу надходить у розпорядження атомів інших речовин (з більшою
полюванням віддають свій електрон тільки атоми цезію).
Настільки ж легко рубідій розлучається з електронами
"на прохання" світлових променів. Це явище, зване фотоефекту,
властиво багатьом металів, але рубідій і цезій у цьому відношенні поза всякою
конкуренції. І хоча сьогодні в фотоелементах та інших фотоелектричних
пристроях набагато частіше застосовується цезій, визнаний "королем
фотоефекту ", у рубідію є непогані шанси з часом потіснити короля
на троні, бо його в природі приблизно в 50 разів більше, ніж цезію, дефіцит
якого рано чи пізно зіграє на руку рубідій. До того ж деякі його сплави
(наприклад, з телуром) мають максимальну світлочутливістю в більш
далекій ультрафіолетової області спектру, ніж аналогічні цезієвого сплави; в
ряді випадків ця обставина має першорядне значення при виборі
матеріалу фотокатодов.
Інша важлива сфера діяльності рубідію --
органічна хімія, де на частку його солей випали "приємні клопоти":
вони виконують обов'язки каталізаторів. У цьому амплуа карбонат рубідію вперше
виступив ще понад півстоліття тому при отриманні синтетичної нафти. Сьогодні
без нього не обходиться синтез метанолу і вищих спиртів, а також стиролу і
бутадієну - вихідних речовин для виробництва синтетичного каучуку.
Порівняно недавно розроблені рубідіевие каталізатори для гідрогенізації,
дегідрогенізаціі, полімеризації і ще деяких реакцій органічного синтезу.
Дуже важливо, що такі каталізатори дозволяють вести процес при більш низьких
параметрах (температурі і тиску), ніж в тому випадку, коли для цієї мети
використовуються сполуки натрію або калію.
Крім того, до їхніх достоїнств слід віднести
зневажливе ставлення до сірки - висміюючи багатьох інших каталізаторів.
Американські хіміки встановили, що тартрат рубідію
надає каталітичну дію на окислення сажі, помітно знижуючи температуру
реакції. "Ека дивина - сажа", - може подумати дехто. Але вчені,
провідні роботи з вишукування нових видів авіаційного палива, дотримуються на
цього приводу зовсім іншої думки. І, мабуть, не без підстав.
Деякі з'єднання рубідію володіють
напівпровідниковими властивостями, інші - п'єзоелектричними. Однак поки ці
здатності елементу № 37 тільки починають привертати увагу вчених і
інженерів.
Як ви помітили, мова частіше йде про потенційні
можливості заліза, ніж про конкретний використанні його в сучасній техніці.
Дійсно, він не має поки що претендувати на роль великого трудівника,
подібно залізу, алюмінію, міді, титану. Це підтверджується і масштабами його
виробництва: якщо "пошкребти по засіках" всіх країн, що виробляють
рубідій, то за рік набереться всього кілька десятків кілограмів, а звідси --
дуже висока ціна цього металу на світовому ринку.
Крім згаданих областей застосування, рубідіевие
з'єднання в невеликих кількостях використовуються в аналітичній хімії - як
реактиви на марганець, цирконій і благородні метали, в медицині - як
снодійного і болезаспокійливого кошти, а також при лікуванні епілепсії. У вигляді
різних солей рубідій бере участь у виготовленні спеціальних оптичних
матеріалів, прозорих для інфрачервоних променів, у виробництві люмінесцентних
ламп, телевізійних та інших Електроннопроменева трубок. У деяких вакуумних
приладах рубідій виконує функції геттера (газопоглотітеля), а в магнітометри
і еталонах частоти і часу - функції так званого активної речовини.
Нещодавно одна з електротехнічних фірм ФРН
сконструювала рубідіевую контрольно-регулюючу приставку для старовинних
курантів, що прикрашають стародавні башти багатьох європейських міст і радують слух
їх мешканців мелодійним боєм. Але от лихо: майже всі куранти страждають хронічним
"захворюванням" - вже дуже не точні ці громіздкі середньовічні
механізми. Нова приставка - атомний еталон частоти - гарантує курантами
бездоганну точність ходу (до сотих часток секунди в добу).
Ще більша точність потрібна ядерної фізики, лазерної
техніки, космічної навігації: тут похибка вимірювання часу деколи
"не вправі" перевищувати мільйонні частки секунди в добу! Таким
вимогам відповідають створені в нашій країні атомний годинник, "серцем"
яких служить ізотоп рубідію. Принцип їх дії заснований на тому, що атоми
хімічних елементів здатні поглинати або випромінювати енергію тільки
певної довжини хвилі (частоти).
Для кожного елемента ця довжина хвилі суворо постійна,
оскільки вона залежить лише від будови атома. Тому атомні (або, як їх ще
називають, квантові) годинник на кілька порядків точніше, ніж будь-які інші, у тому
числі і кварцові, в яких роль маятника грають пружні коливання кварцовою
пластини. Точність рубідіевих годин така, що якщо б їх "завели"
на рубежі нової ери, то до наших днів вони відстали б або втекли вперед не більше
ніж на ... одну секунду.
Можна сміливо стверджувати, що в найближчі роки послужний
список рубідію стане набагато довше, а отже, зростуть і масштаби його
виробництва. Природа не страждає від нестачі цього металу: в підземних
скарбниць його приховано більше, ніж, наприклад, хрому, цинку, нікелю, міді,
свинцю.
Правда, певні труднощі виникають через крайню
неуважності рубідію, який, хоча і виявлений у багатьох гірських породах, не
має власних мінералів, не кажучи вже про великі родовища. Зазвичай
рубідій примикає до більш поширеним лужним металів, причому з калієм
він просто нерозлучний. Окрім уже згадуваного лепідоліта, рубідій в дуже
незначних кількостях (від сотих до десятих часток відсотка) присутня в
Карналіт, звідки його і отримують попутно з іншими елементами. Оскільки
загальні запаси карналіту практично невичерпні, цей мінерал вважається
найбільш перспективним рубідіевим сировиною.
Ще в XV столітті на березі річки Ками серед уральських
лісів виник містечко Сіль Камская. Сучасний Солікамському - великий центр
хімічної промисловості. Тут знаходяться багатющі родовища
карналіту, сільвінітов та інших калійних солей. Схожий на мармур сильвініт
забарвлений в різні кольори: він то білий, як сніг, то переливається всіма кольорами
веселки - від світло-рожевого до червоного, від небесно-блакитного до темно-синього.
При цьому мінерал (що є хлорид калію) пронизаний безбарвними
прозорими кристалами хлориду натрію (тобто кухонної солі), серед яких
іноді трапляються зовсім чорні великі кубики. Чому ж почорніла
кухонна сіль? Вважають, що це "автограф" рубідію-87-вже
знайомого нам радіоактивного ізотопу, облуччя колись хлорид натрію.
Солі рубідію розчинені у воді океанів, морів, озер.
Досить багаті цим елементом знамениті одеські лимани, але ще більше його в
каспійських водах. Не оминув рубідій своєю увагою і багатьох представників
рослинного світу: сліди його зустрічаються в морських водоростях і тютюн, у
листі чаю і зернах кави, в очереті і цукровому буряку, у винограді і
деяких видах цитрусових. На закінчення наведемо жартівливий аргумент на користь
прозвучало кілька років тому призову "Бережіть чоловіків!": їх
кров, як стверджує Велика Радянська Енциклопедія, багатше рубідій, ніж
жіноче (відповідно 0, 00032 і 0,00028 %).
Ну як же їх у такому випадку не берегти?
Список літератури
Для підготовки даної роботи були використані
матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/
