Рубідій - "Злий джин"

С.І. Венецкий

Скільки років нашій планеті? На жаль,"Метрика" про народження Землі не збереглося, а самаж вона (як і всяка 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 вжебагато століть. Якщо вірити Біблії, це сталося зовсім недавно - близько шеститисячоліть тому. Згідно ж сучасними науковими уявленнями, Земля"Живе на світі" вже приблизно 4,5 мільярда років (вельмиповажний вік, чи не так?).

У ролі свідків, готових підтвердити правильністьцієї точки зору, виступають найдавніші гірські породи планети. До останньогочасу самими "старими" вважалися породи, знайдені в Африці, врайоні Трансвааля: їм приблизно 3,4-3,5 мільярда років. Але в 1966 році молодийновозеландський вчений Вік Макгрегор на західному узбережжі Гренландії, біля входу вАмералік-фіорд, виявив породи, які виявилися старше, ніж трансваальскіе,майже на добрих півмільярда років. А встановити це вдалося за допомогою такзваних рубідій-стронцієвих "годин". Що ж вони собоюпредставляють?

Ще на початку нашого століття великий англійський фізикЕрнест Резерфорд запропонував для визначення віку мінералів і гірських порідскористатися відкритим за кілька років до цього явищем радіоактивності.Справа в тому, що атоми радіоактивних хімічних елементів, що входять до складуземної матерії, постійно випромінюють ті чи інші ядерні частинки, перетворюючись наатоми іншого елемента. Найцікавіше, що швидкість такого перетворення незалежить ні від температури, ні від тиску, ні від будь-яких інших чинників. Алезате кожен хімічний "індивідуум" характеризується своїм періодомнапіврозпаду - часом, протягом якого розпадається рівно половинанаявної кількості радіоактивного елемента. У одних речовин цей періодтриває лише мільйонні частки секунди, в інших досягає сотень трильйонів років.

Період напіврозпаду одного з"Довгожителів"-рубідію-87 (на його частку припадає близько 28% природнихзапасів рубідію) - 48 мільярдів років. Мимовільно випускаючи електрони, цейізотоп повільно, але вірно перетворюється на стабільний (не піддається подальшомурозпаду) ізотоп стронцію з тим же масовим числом (87). Оскільки відомозвичайне співвідношення між цим ізотопом і його найближчими"Родичами" (ізотопами з масовими числами 88, 86, 84), неважкообчислити, 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 гренландским гірським породам за допомогою ізотопіврубідію та стронцію вдалося довести свою глибоку старовину, то найвищігори нашої планети - Гімалаї - завдяки цій же парі хімічних елементівзмогли переконати науковий світ у тому, що вони значно молодше, ніжпередбачалося до останнього часу. Так, тривалий час вважалося, що гірськімасиви Центральної Азії утворилися сотні мільйонів років тому. Порівнянонещодавно японські вчені, скориставшись рубідій-стронцієвий"Годинами", ретельно досліджували зразки гімалайських порід івстановили помилковість існуючої точки зору.

Вчені дійшли висновку, що цей район земної кулідвічі піддавався найсильнішим геологічним стисканням. Перше стиснення, врезультаті якого сформувалася базова структура (або, інакше кажучи, свогороду фундамент) Гімалаїв, відбулося 450-500 мільйонів років тому, а друге,завдяки якому на цьому фундаменті були споруджені найвищі гори Землі, -всього якихось 15 мільйонів років тому.

Існують й інші подібні методи - радіовуглецевий,уран-гелієвий, уран-свинцевий, калій-аргоновий і т. д., але для дуже соліднихпроміжків часу, мабуть, найбільш підходящими є рубідій-стронцієвих"Годинник". Отже, рубідій допомагає встановити приблизний вік Землі. Аяк давно він сам відомий людині? На це питання можна дати гранично точнийвідповідь.

Народження рубідію відбулося в 1861 році. Ця подіяне вислизнуло від допитливого погляду двох чудових німецьких вчених - хімікаРоберта Бунзена і фізика Густава Кірхгофа, що розробили в 1859 роціспектральний метод аналізу речовин, за допомогою якого через рік їм вдалосявідкрити цезій.

Продовжуючи досліджувати різні мінерали, вонивиявили в спектрі саксонського лепідолітом дві невідомі раніше темно-червонілінії. Так сигналізував про свою появу на світ новий елемент, який ібув названий рубідій, що в перекладі з латинської означає "червоний".

Це дає рубідій підставу вважати себе майжеоднофамільцем рубіна - відомого дорогоцінного каміння. Але якщо рубін і справдічервоний, то про рубідій цього не скажеш: як і більшість металів, вінсріблясто-білого кольору. Рубідій дуже легкий (легше магнію) і дуже м'який(Як віск) метал. Йому явно протипоказано перебування в жарких місцях нашоїпланети: температура плавлення рубідію всього 38,9 В° С, тому під палючимипроменями південного сонця він може буквально розтанути на очах. Щоб закінчитисловесний портрет рубідію, вкажемо ще одну особливу прикмету: пари його сполукнадають полум'я пальника характерний пурпуровий відтінок.

Вперше металевий рубідій зумів одержати в 1863році Р. Бунзен. Для цього йому довелося "перевернути гори", а вірніше,випарувати ціле "озеро" - понад 40 кубометрів Шварцвальдськиймінеральної води, в якій також був виявлений новонароджений елемент. Але цебув тільки початок. З упаренного розчину вчений осадив суміш хлороплатінатикалію, цезію і рубідію. Тепер треба було розділити нерозлучну трійцю.Скориставшись більш високою розчинністю калійних з'єднань, Бунзен шляхомбагаторазової фрикційної кристалізації спочатку видалив "з поля"калій. Розділити цезій і рубідій було ще складніше, але й це завдання вдалосявирішити. Завершила справу сажа, яка відновила рубідій з його кислоготартрату (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 цейпроцес в залізному циліндрі з газовідвідної трубкою, яка поєднувалася зіскляним резервуаром-холодильником. Циліндр підігрівався на газовому пальнику,і в ньому починалася бурхлива реакція, що супроводжувалася виділенням водню ісублімацією рубідію в холодильник. Як писав сам Бекетов, "рубідій женетьсяпоступово, стікаючи, як ртуть, і зберігаючи навіть свій металевий блисквнаслідок того, що снаряд під час операції наповнений воднем ". В нашідні цей метал "видобувають" головним чином з хлориду, впливаючи нанього металевим кальцієм у вакуумі при 700-800 В° С.

Як не складно виділити чистий рубідій з йогоз'єднань, але це тільки півсправи: не менше клопоту пов'язано з його зберіганням."Свіжий" метал негайно запаюють в ампули з особливого скла, вяких створено вакуум або знаходиться інертний газ. Іноді "камероюпопереднього ув'язнення "служать металеві посудини, заповнені"Сухим" (ретельно зневоднених) гасом або парафіновим маслом.Тільки при дотриманні цих умов можна бути впевненим, що "продуктпідлягає тривалому зберіганню ". Чим же викликані такі суворі заходи"Покарання"?

Виною всьому - буйний характер бранця. Вивільнитийого з ув'язнення-все одно, що випустити злого джина з пляшки. За хімічноюактивності рубідій в сім'ї металів поступається тільки своєму "старшомубрату "цезію. Опинившись на волі, тобто на повітрі, рубідій тут жезагорається і згоряє яскравим рожево-фіолетовим полум'ям, утворюючи жовтийпорошок - надпероксід рубідію.

Виниклий "пожежа" не можна гасити водою:метал реагує з нею ще більш бурхливо, з вибухом, причому розлучена зкиснем водень негайно загоряється, "підливаючи масла у вогонь".При цьому рубідій зовсім не рахується з фізичним станом води: навітьзамерзнувши і перетворившись на лід, вона не перестає бути об'єктом нападокагресивного металу. Подібно до того як відбійний молоток шахтаря врубається впласт вугілля..., рубідій рішуче "вгризається" в товщу крижанихкристалів, і тільки пекельний мороз (нижче -108 В° С) здатний втихомирити бешкетника.

Виходить при цьому гідроксид рубідію теж прагнепоказати характер: якщо її помістити в скляний посуд, то від скла незабаромзалишаться самі спогади. Та й сам рубідій при високих температурах (300 В° Сі вище) швидко руйнує скло, безсоромно "випроваджуючи" кремнійз його оксидів і силікатів. Ось чому "гамівні сорочки" (ампули)для цього металу необхідно робити зі спеціального скла, здатного постоятиза себе.

Висока хімічна активність рубідію обумовленабудовою його атома. Як і в інших лужних металів, на його зовнішньоїелектронній оболонці "проживає" один-єдиний валентний електрон,який знаходиться далі від ядра, ніж у літію, натрію або калію, і тому попершу вимогу надходить у розпорядження атомів інших речовин (з більшоюполюванням віддають свій електрон тільки атоми цезію).

Настільки ж легко рубідій розлучається з електронами"На прохання" світлових променів. Це явище, зване фотоефектом,притаманне багатьом металам, але рубідій і цезій у цьому відношенні поза всякоюконкуренції. І хоча сьогодні в фотоелементах та інших фотоелектричнихпристроях набагато частіше застосовується цезій, визнаний "королемфотоефекту ", у рубідію є непогані шанси з часом потіснити короляна троні: адже його в природі приблизно в 50 разів більше, ніж цезію, дефіцитякого рано чи пізно зіграє на руку рубідій. До того ж деякі його сплави(Наприклад, з телуром) мають максимальну світлочутливістю в більшдалекій ультрафіолетової області спектру, ніж аналогічні цезієві сплави; вряді випадків ця обставина має першорядне значення при виборіматеріалу фотокатодів.

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 впершевиступив ще понад півстоліття тому при отриманні синтетичної нафти. Сьогоднібез нього не обходиться синтез метанолу і вищих спиртів, а також стиролу ібутадієну - вихідних речовин для виробництва синтетичного каучуку.Порівняно недавно розроблені рубідієві каталізатори для гідрогенізації,дегідрогенізаціі, полімеризації і ще деяких реакцій органічного синтезу.Вельми важливо, що такі каталізатори дозволяють вести процес при більш низькихпараметрах (температурі і тиску), ніж у тому випадку, коли для цієї метивикористовуються сполуки натрію або калію.

Крім того, до їх достоїнств слід віднестизневажливе ставлення до сірки - висміюючи багатьох інших каталізаторів.

Американські хіміки встановили, що тартрат рубідіюнадає каталітичну дію на окислення сажі, помітно знижуючи температуруреакції. "Ач дивина - сажа", - може подумати дехто. Але вчені,провідні роботи з вишукування нових видів авіаційного палива, дотримуються нацей рахунок зовсім іншої думки. І, треба думати, не без підстав.

Деякі сполуки рубідію володіютьнапівпровідниковими властивостями, інші - п'єзоелектричними. Однак поки ціздатності елемента № 37 тільки починають привертати увагу вчених іінженерів.

Як ви помітили, мова частіше йде про потенційніможливостях рубідію, ніж про конкретний використанні його в сучасній техніці.Дійсно, він не вправі поки претендувати на роль великого трудівника,подібно залізу, алюмінію, міді, титану. Це підтверджується і масштабами йоговиробництва: якщо "пошкребти по засіках" всіх країн, що виробляютьрубідій, то за рік набереться всього кілька десятків кілограмів, а звідси -дуже висока ціна цього металу на світовому ринку.

Крім згаданих областей застосування, рубідієвіз'єднання в невеликих кількостях використовуються в аналітичній хімії - якреактиви на марганець, цирконій і благородні метали, в медицині - якснодійного і болезаспокійливого засобу, а також при лікуванні епілепсії. У виглядірізних солей рубідій бере участь у виготовленні спеціальних оптичнихматеріалів, прозорих для інфрачервоних променів, у виробництві люмінесцентнихламп, телевізійних та інших Електроннопроменева трубок. У деяких вакуумнихприладах рубідій виконує функції геттера (газопоглотителем), а в магнітометриі еталонах частоти і часу - функції так званого активної речовини.

Нещодавно одна з електротехнічних фірм ФРНсконструювала рубідієвого контрольно-регулюючу приставку для старовиннихкурантів, що прикрашають стародавні башти багатьох європейських міст і радують слухїх жителів мелодійним боєм. Але от лихо: майже всі куранти страждають хронічним"Захворюванням" - вже дуже не точні ці громіздкі середньовічнімеханізми. Нова приставка - атомний еталон частоти - гарантує курантамибездоганну точність ходу (до сотих часток секунди в добу).

Ще більша точність потрібна ядерної фізики, лазерноїтехніці, космічної навігації: тут похибка вимірювання часу деколи"Не вправі" перевищувати мільйонні частки секунди в добу! Такимвимогам відповідають створені в нашій країні атомний годинник, "серцем"яких служить ізотоп рубідію. Принцип їх дії заснований на тому, що атомихімічних елементів здатні поглинати або випромінювати енергію тількипевної довжини хвилі (частоти).

Для кожного елемента ця довжина хвилі суворо постійна,оскільки вона залежить лише від будови атома. Тому атомні (або, як їх щеназивають, квантові) годинник на кілька порядків точніше, ніж будь-які інші, в томучислі і кварцові, в яких роль маятника грають пружні коливання кварцовоюпластини. Точність рубідієвого годин така, що якщо б їх "завели"на рубежі нової ери, то до наших днів вони відстали б або втекли вперед не більшеніж на ... одну секунду.

Можна сміливо стверджувати, що в найближчі роки послужнийсписок рубідію стане набагато довше, а значить, зростуть і масштаби йоговиробництва. Природа не страждає від нестачі цього металу: в підземнихскарбниць його приховано більше, ніж, наприклад, хрому, цинку, нікелю, міді,свинцю.

Правда, певні труднощі виникають через крайнюнеуважності рубідію, який, хоча і виявлений у багатьох гірських породах, немає власних мінералів, не кажучи вже про великих родовищах. Зазвичайрубідій примикає до більш поширеним лужним металів, причому з каліємвін просто нерозлучний. Крім уже згадуваного лепідолітом, рубідій в дуженезначних кількостях (від сотих до десятих часток відсотка) присутня вкарналіті, звідки його і витягають попутно з іншими елементами. Оскількизагальні запаси карналіту практично невичерпні, цей мінерал вважаєтьсянайбільш перспективним рубідієвого сировиною.

Ще в XV столітті на березі річки Ками серед уральськихлісів виник містечко Сіль Камская. Сучасний Солікамському - великий центрхімічної промисловості. Тут знаходяться багатющі родовищакарналіту, сильвинитом та інших калійних солей. Схожий на мармур сильвінітзабарвлений у різні кольори: він то білий, як сніг, то переливається всіма кольорамивеселки - від світло-рожевого до червоного, від небесно-блакитного до темно-синього.При цьому мінерал (що представляє собою хлорид калію) пронизаний безбарвнимипрозорими кристалами хлориду натрію (тобто кухонної солі), серед якихіноді трапляються зовсім чорні великі кубики. Чому ж почорнілакухонна сіль? Вважають, що це "автограф" рубідію-87-вжезнайомого 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 вкаспійських водах. Не оминув рубідій своєю увагою і багатьох представниківрослинного світу: сліди його зустрічаються в морських водоростях і тютюні, влисті чаю і зернах кави, в цукровому очереті і буряках, у винограді ідеяких видах цитрусових. На закінчення наведемо жартівливий аргумент на користьпрозвучав кілька років тому призову "Бережіть чоловіків!": їхкров, як стверджує Велика Радянська Енциклопедія, багатше рубідій, ніжжіноче (відповідно 0,00032 і 0,00028%).

Ну як же їх у такому випадку не берегти?