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铷

铷

（英语：Rubidium），元素符号为Rb，原子序数为37，一种柔软、延展性良好的银白色碱金属，在39℃环境温度下是液体。铷是地壳中第十六大普遍的元素，但不作为矿物结构的主要组成元素。铷在非放射性同位素碱金属中电离电位第二低，仅次于，是路易斯第二强碱。化学性质与物理性质介于钾和铯之间，铷在空气存在下燃烧，与水发生剧烈反应，释放出氢气，因此具有运输和保存的危险性。铷在动物血液和组织中可交换钾，毒性程度较低，但铷的氢氧化物具有强腐蚀性。

铷在诸多领域有重要应用：⁸⁷Rb释放β粒子并分解为⁸⁶Sr，通过确定铷同位素和同位素的比例可以测量岩石或矿物的年龄，可用于人类文物年代的确定；⁸⁷Rb原子的共振频率被频率标准确定为基准频率，铷原子频标可作为优良的时间标准；铷化合物和含铷合金可用于制造光电池、光电发射管、自动控制设备，并可应用于辐射探测、医学影像设备制造。

研究历史

铷由基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）和本森（Robert Bunsen）于1861年发现。他们在1860年发明了分光镜，通过光谱分析法发现了新元素铯。他们对锂云母矿石沉淀分离后的残渣进行光谱分析，观察到发射光谱中有栗色的新线，铷的名称就取自拉丁文rubidus，意思是深红色。这是继铯之后，第二个通过使用分光光度计来识别的元素。1861年本森还从矿泉水的碱性蒸发物中分离出了含铷的碳酸根和氯化物，通过用碳还原酒石酸氢铷提取了金属铷。Cornell和Wieman两位科学家成功地将含铷原子的气体冷却到低于170nK温度，大量的原子聚集到最低的能量状态形成了玻色阿尔伯特·爱因斯坦凝聚，于2001年获诺贝尔物理学奖。

分布情况

铷是地壳56种元素中的一种，总共占地壳元素重量的0.05%，在所有丰度中排名第23位，金属元素中排名16位。它比常见的铜、铅、锌更丰富，但是开采量远低于上述金属，每年的开采量在全世界范围内仅2-4吨/年，铷的存量是铯的30倍，是锂的4倍，但却只能作为提取这两种金属的副产品。造成这一现状的原因是铜、铅、锌以及锂和铯是矿物的主要成分，易集中形成矿床。然而，铷不会形成以自己为主要成分的矿物，难以形成矿床。铷是铯和锂矿石中的常见成分。一些代表性的钾矿物中铷的最大含量是正长石，占3%；白云母，占2.1%；黑云母，占4.1%；光卤石和锡兰石，分别占0.1%和0.2%。

在美国和其他一些国家都发现了这种矿石，从1958年到1975年，美国市场上的铷主要来自于得克萨斯州一家工厂积累的干混碱碳酸根，作为从鳞片岩中提取的锂的副产品。中国广州市从化红坪山铷矿是世界稀有的全矿化岩体型矿床。地质勘探表明氧化铷工业储量12.14万吨，可采储量估计4.37万吨，全岩含铷0.12％。加拿大是北美主要的铷资源储量国家，锂云母和铯榴石较多，铷总储量约为2000吨。此外，智利、南非、纳米比亚等国家也发现了一定储量的铷矿资源。另一种是以离子态赋存于液态矿物中，青海省、西藏自治区等地的现代盐湖卤水资源和湖北、四川省等地的古地下卤水资源都伴生有丰富的铷矿产资源。液态矿物中铷铯的浓度虽然较低，但是液态矿物的储量大，开采相对简单。

理化性质

物理性质

铷的熔点为39 ℃，在较高温度的环境中是液态，低温环境为固态，柔软且具有良好延展性。原子量为85.4678，固体密度为1.532 g/cm³，液体密度为1.475 g/cm³，是第四轻的金属元素。沸点688 ℃，蒸汽压1.650×10⁻⁴ kPa（126.85 ℃），电离能4.18 eV。铷具有优良的光电效应，当受到极弱的光照，就能均匀的释放电子，形成光电流。在冶金学上，铷易和其他碱金属如：锑、铋、金形成合金，也容易与汞结合。铷是体心立方晶体，六方晶系，晶体大小为0.11×0.11×0.03 mm³。

同位素

在自然界中，铷由两种同位素组成，它们的原子量分别为85和87，占比分别为72.2%和27.8%（按重量计算）。铷的同位素共有33种，其中28种的半衰期小于1个小时，仅有⁸⁷Rb的半衰期超过1年。⁸⁷Rb具有放射性，其半衰期为490亿年；原子反应堆裂变生成的放射性铷的同位素⁸¹Rb、⁷⁹Rb等半衰期短，但放射性也较强。放射性同位素86Rb在生物医学研究中用作示踪剂，检测小型脊椎动物的代谢情况。82Rb可用于心脏成像技术，是评估心肌功能的有效手段。

化学性质

铷是仅次于铯的第二大正电金属，可与多种阴离子结合形成化合物，铷盐多具有吸湿性。铷与常见阴离子形成水溶性化合物，如：乙酸盐、碳酸盐、氧化物、硫酸盐等，还能与锑、铋、铁、铅等形成不溶于水的双卤化物。铷性质极为活泼，在空气中易自燃，迅速失去表面光泽，与水、氧化剂、卤代烃发生剧烈反应，生成腐蚀性的强碱性氢氧化铷和易燃气体氢气，而反应过程释放的强热容易将氢气点燃，造成火灾和爆炸。此外，铷是一种强还原剂，在干燥氧气环境中会自燃。铷金属熔融状态易起火，当与硫磺蒸汽同时起火会导致马来酸酐的爆炸性分解。在氯气中也能燃烧，与汞的相互作用是释放强热。

化合物

铷的常见无机化合物有氢氧化铷（RbOH）、氯化铷（RbCl）等，均为无色或白色，具有吸湿性，在运输和储存过程中需要考虑防潮。

提取方法

铷在自然界中储量丰富，但是矿物中含量低，常与性质相似的同主族碱金属共存。由于碱金属之间不易形成沉淀物或络合离子，并且具有相似的水化学性质，铷的分离和纯化难度高。在通常的回收过程中，铷离子通常在预处理后的盐湖卤水中与离子半径相近的锂和铯离子共存，钾的含量远高于铷，严重干扰了铷的分离提取，增大了铷提取工艺的复杂性。当前，铷的提取主要分为固体矿物的浸取、高放核废液处理和盐湖卤水分离几个方面。在不同时期开发出了多种分离提取方法，主要有分步结晶法、沉淀法、离子交换法、溶剂萃取法。

分步结晶法

分步结晶法是最早用于从锂云母或铯榴石矿物分离提取铷的方法。首先采用硫酸持续浸出分解含铷矿物，得到混合的硫酸盐溶液，将混合硫酸盐溶液重复溶解和结晶，根据金属化合物溶解度大小的不同，结晶速度的差异，逐项分离提纯金属，最终获得纯铷矾，进一步分解得到氢氧化铷。该方法操作复杂，持续时间长，分离效果不佳，现已被更高效的方法取代，很少应用。

沉淀法

在工业生产过程中，常采用沉淀法从高浓度卤水中分离提取铷，现主要用于工业化生产的后期产品提纯和裂变产物放射性元素的分离。沉淀法的原理是通过控制pH和反应时间，利用大体积阴离子作为沉淀剂与溶液中的铷离子生成难溶性物质或形成结晶，沉淀分离。沉淀法提取铷的回收率较高，但沉淀剂价格昂贵，部分沉淀剂水溶性差，生成的沉淀物稳定性差都降低了实际生产和研究的应用可行性。

离子交换法

离子交换法是从盐湖卤水或制盐卤水中分离提取铷的常用方法，适用于低浓度铷的富集和分离。其基本原理是令含铷溶液通过离子交换剂，交换剂可吸附铷离子实现铷与其他离子的分离，接着加入洗脱液，铷从交换剂上脱附，得到高浓度溶液，蒸发结晶获得金属铷或铷化物。现已研发出具有良好吸附性能的吸附剂，包括无机型和有机树脂型两类，新型离子交换剂选择性好、可循环使用、操作方便、回收率高、工艺流程简单。

溶剂萃取法

溶剂萃取是一种经济、高效且环保的稀金属离子溶液分离方法。铷离子可与某些有机化合物发生络合反应或与有机大分子上的一价阳离子发生交换，选择性的将铷从水相转移到有机相，实现金属离子的分离。溶剂萃取法具有处理量大、流程简单、操作便捷的优点，易于实现工业化的生产。

应用领域

20世纪以前铷在工业上没有任何应用，直到20世纪20年代，少量的铷开始用于生产光电电池。此后，铷化合物的需求和供应量不断增长。1979年，全球铷化物需求量约为2000公斤，相比铷化物，金属铷的需求很小。21世纪后，高新技术快速发展，随着对金属铷物理化学性质研究的加深，铷被应用于航天、通信、医疗、能源等领域。长期以来，铷因其活跃的化学性质，存在运输和储存的困难，约束了铷工业的发展。随着人类科学技术的进步和研究不断深入，铷独特的光电性能在诸多领域发挥巨大作用。21世纪后，铷的应用主要集中在高新技术领域，仅20%的铷用于传统工业。

频率标准

铷的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，铷原子频标作为时间标准具有抗辐射、高稳定性、高准确性、重量轻、体积小、功耗低等特点，可达到人造卫星发射系统、导航、运载火箭导航、导弹系统、无线通讯、全球定位系统（GPS）等空间技术的发展需要的精确性要求，气泡型铷原子频标已成为应用最广泛的原子频标。在原子电路技术中，使用铷进行量子计算方面取得了进展，铷原子用于创建在原子电路中传输信息的量子门。铷可作为化学示踪剂， ⁸⁷Rb衰变成⁸⁶Sr已广泛应用于鉴别岩石、矿物以及文物年代。

能量利用

由于铷易离子化，将铷及其化合物用作把热能直接转换成电能的磁流体发电机的发电材料（导电体）可获得较高热效率。在热离子发电过程中，离子化铷能中和电极之间的空间电荷，提高了电子发射速度，减少了集电极的能量损失。含铷涂层电极的热电换能器还可与原子反应堆联用，在反应堆内部实现联合发电。在超导体中使用铷的研究正在增加。

光电设备

铷和铯被人们称为“长眼睛的金属”，原因是他们具有优异的光电性能，铷原子极容易失去价电子，可见光的能量使原子电离，电子获得能量后从金属表面溢出产生光电导效应，显示出优良的导电性、导热性和化学活性。通常用铷化合物和含铷合金制造太阳能板、光电发射管、自动控制设备、光电倍增管，同时应用于辐射探测、医学影像设备。

特种玻璃

含铷特征玻璃是铷应用的主要市场，玻璃制作中添加碳酸铷，可以增大玻璃稳定性，延长产品使用寿命。含铷玻璃广泛应用于光纤和夜视装置生产的方面。

医学方面

铷的物理、化学性质与铯相似，因此两种元素常一起使用或互为替代，在生物学实验中，氯化铷和其他几种铷盐可与铯化物结合或替代其作为超速离心分离脱氧核糖核酸（DNA）、病毒和其他的大颗粒组分的密度梯度介质；放射性铷可用于血流放射性示踪；碘化铷可取代碘化钾治疗甲状腺肿大；一些铷盐在药物中作为镇静剂、安眠药，还用于治疗癫痫。铷的同位素是发射型计算机断层成像技术（Emission Computed Tomography, ECT）中使用的几种同位素之一，特别适用于评估心脏区域的血流（心肌灌注）和检测冠状动脉疾病。

其他

为了防止假冒产品破坏市场，制造商通常会添加少量铷作为化学标签，用于识别、溯源和追踪产品；氢氧化铷可用于烟花生产，它能氧化其他元素的化合物并产生紫色光；富铷长石因其高介电容量而用于火花塞和电绝缘体陶瓷的制造；铷被用作石油勘探中甲酸盐盐水的添加剂和高效催化剂；铷还可以作为真空电子管中残余氧气的清除剂。

安全事宜

毒理

铷燃烧会产生刺激性、腐蚀性或有毒气体。铷的化合物中，要采取的预防措施和保护措施由阴离子决定，RbOH具有很强的腐蚀性，RbF显示出碱金属氟化物的典型毒性，RbClO₄和RbNO₃是氧化剂。在毒理性研究中，铷在人体血浆、血液中的作用与钾相同，评估潜在风险较低。

健康危害

铷与水接触产生腐蚀性溶液。吸入或接触铷的蒸气或分解产物可能导致严重伤害或死亡。动物皮肤试验表明，5%的铷溶液对无破损皮肤无刺激性，然而，它对磨损的皮肤有轻微的刺激性。5%碘化铷溶液对完整或磨损的皮肤都没有刺激性。氢氧化铷的浓溶液对眼睛具有严重的腐蚀性。

环境危害及消防风险

铷的水反应性和自燃性易造成火灾或爆炸危险，灭火后可能重新点燃。通过消防或稀释水铷进入径流可能造成环境污染。

防护方法

在处理任何铷盐时，建议使用耐化学腐蚀的手套和经批准的护目镜，进行局部通风并使用经批准的防尘呼吸器。铷金属对人体组织具有严重的腐蚀性，只能在具有完全个人保护的惰性气体环境中处理。

储存及运输要求

由于金属铷对水、蒸汽、冰、空气和许多其他物质都会发生强烈反应，铷的具有运输和储存的高风险，因此需要采取特殊的预防措施。铷被储存和运输在干燥的矿物油、惰性气体和真空环境，数量超过100 g的铷包装在不锈钢容器中，数量较少则包装在密封的硼硅酸盐玻璃安瓿并外包惰性材料后装入金属罐内，放射性的铷制剂有特殊储存和运输规定。