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    關于“銣”

    2019-07-18 15:40:51

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      (一)發現歷史

    十九世紀五十年代的開頭,住在漢堡城里的德國化學家本生(Robert Bunsen),發明了一種燃燒煤氣的燈,這種本生燈現在在我們的化學實驗室里還隨處可見。他試著把各種物質放到這種燈的高溫火焰里,看看它們在火焰里究竟有什么變化。

    變化果真是有的!火焰本來幾乎是無色的,可是當含鈉的物質放進去時,火焰卻變成了黃色;含鉀的物質放進去時,火焰又變成了紫色……連續多次的實驗使本生相信,他已經找到了一種新的化學分析的方法。這種方法不需要復雜的試驗設備,不需要試管、量杯和試劑,而只要根據物質在高溫無色火焰中發出的彩色信號,就能知道這種物質里含有什么樣的化學成分。

    但是,進一步的試驗卻使本生感到煩惱了,因為有些物質的火焰幾乎亮著同樣顏色的光輝,單憑肉眼根本沒法把它們分辨清楚。

    這時,住在同一城市里的研究物理學的基爾霍夫(Gustav Robert Kirchhopp)決心幫本生的忙。他想既然太陽光通過三棱鏡能夠分解成為由七種顏色組成的光譜,那為什么不可以用這個簡單的玻璃塊來分辨一下高溫火焰里那些物質所發出的彩色信號呢?

    基爾霍夫把自己的想法告訴了本生,并把自己研制的一種儀器——分光鏡交給了他。

    他們把各種物質放到火焰上去,叫物質變成熾熱的蒸氣,由這蒸氣發出來的光,通過分光鏡之后,果然分解成為由一些分散的彩色線條組成的光譜——線光譜。蒸氣成份里有什么元素,線光譜中就會出現這種元素所特有的跟別的元素不同的色線:鉀蒸氣的光譜里有兩條紅線,一條紫線;鈉蒸氣有兩條挨得很近的黃線;鋰的光譜是由一條亮的紅線和一條較暗的橙線組成的;銅蒸氣有好幾條光譜線,其中最亮的是兩條黃線和一條橙線,等等。

    這樣就給人們找到了一種可靠的探索和分析物質成份的方法——光譜分析法。光譜分析法的靈敏度很高,能夠“察覺”出幾百萬分之一克甚至幾十億分之一克的不管哪一種元素。

    分光鏡擴大了人們的視野。你把分光鏡放在光線的過道上,譜線將毫無差錯地告訴你發出這種光線的物質的化學元素的成分是什么。

    本生拿著分光鏡研究過很多物質。在1861年,他在一種礦泉水里和鋰云母礦石中,發現了一種產生紅色光譜線的未知元素。這個新發現的元素就用它的光譜線的顏色銣來命名(在拉丁語里,銣的含意是深紅色)。

    銣的發現,是用光譜分析法研究分析物質元素成分取得的第一個勝利。

     

    (二)銣生產
       

    隨著銣及其化合物需求的不斷擴大, 其分離、提純技術得以不斷發展, 從最早的分級結晶分離法、沉淀法, 到目前的離子交換法、溶劑萃取法等, 銣及其化合物的產品質量不斷提高, 生產成本逐步降低。

     

    (三)物理性質

     

    【中文名稱】銣

    【漢語拼音】

    【英文名稱】rubidium 源于拉丁文 ruidus (深紅色)

    CAS號】7440-17-7 [3]  

    EINECS】231-126-6

    【元素符號】Rb

    【原子序數】37

    【族-系列】ⅠA—堿金屬

    【密度】1.532克/立方厘米

    【莫氏硬度】0.3

    【性狀】

    【元素在宇宙中的含量】0.01ppm (ppm是濃度單位,1ppm表示1單位溶劑中含有百萬分之一單位的溶質)

    【元素在太陽中的含量】0.03ppm

    【地殼中含量】90ppm(0.009%)

    【元素在海水中的含量】0.12ppm

    【電子層】K-L-M-N-O

    【相對原子質量】85.4678

    【原子半徑】235(265)pm

    【共價半徑】211pm

    【范德華半徑】244pm

    【價電子排布】[Kr]5s1

    【價電子在每能級排布】2,8,18,8,1

    【核電荷數】37

    【氧化態】主要有 Rb -1 (在液氨中), Rb +1

    【晶體結構】晶胞為體心立方晶胞,每個晶胞含有2個金屬原子。

    【物質狀態】固態

    【熔點】312.46K(38.89℃)

    【沸點】961K(688℃)

    【摩爾體積】55.76立方厘米/摩爾

    【汽化熱】72.216 kJ/mol

    【熔化熱】2.192 kJ/mol

    【蒸氣壓】1.56×10^-4 帕(312.6K)

    【聲速】1300 m/s(293.15K)

    【電負性】0.82(鮑林標度)

    【比熱】363 J/(kg·K)

    【電導率】7.79×10^6/(米歐姆) 【熱導率】58.2 W/(m·K)

    【第一電離能】403.0 kJ/mol

    【第二電離能】2633 kJ/mol

    【第三電離能】3860 kJ/mol

    【第四電離能】5080 kJ/mol

    【第五電離能】6850 kJ/mol

    【第六電離能】8140 kJ/mol

    【第七電離能】9570 kJ/mol

    【第八電離能】13120 kJ/mol

    【第九電離能】14500 kJ/mol

    【第十電離能】26740 kJ/mo

     

    (四)化學性質

     

    氧化物離解能(Do):3.6(eV)

    元素電離能(Ei): 4.18(eV)

    主要吸收線及其主要參數:

    圖片1.png 

    λ:波長

    f:振子強度

    W:單色器光譜通帶

    A- A(空氣乙炔焰)

    S*:元素的特征濃度(1%吸收靈敏度)

    CL:元素的檢測極限

    R·S:同一元素主要吸收線間的相對靈敏度

    F:火焰類型

    晶胞參數:

    a = 558.5 pm

    b = 558.5 pm c = 558.5 pm

    α = 90°

    β = 90°

    γ = 90° [4]  

    銣的性質介于其上方的鉀與下方的銫之間,性質極為活潑,在空氣中即立即失去金屬光澤,被氧氣劇烈地氧化,并能引起銣自燃。遇水反應非常劇烈,甚至接觸到-100℃以下的冰塊也會發生爆炸。

    銣的化學反應比鈉、鉀更為激烈,在空氣中極易氧化。

    銣的熔點和硬度比鉀更低,化學性質更加活潑。銣遇水在表面發生爆炸并溶在水中形成堿性溶液。

    銣在光的作用下容易放出電子,可用以制造光電管。

    共有45個同位素(銣-71~銣-102),其中有1個同位素是穩定的。在自然界出現的銣-87,帶有放射性。

     

    (五)資源分布

     

    銣的資源,銣無單獨工業礦物,常分散在云母、鐵鋰云母、銫榴石和鹽礦層、礦泉之中。全世界銣的儲量18萬噸,世界年產量約4噸,中國儲量754噸。

    參考價格:含量99.5% 人民幣256000元/公斤 含量99.9% 人民幣299000元/公斤

    據小道消息稱,從內蒙古地礦局礦產實驗研究所傳出消息,該所在錫林郭勒盟白音錫勒牧場東北約15公里處初步探明一處超大型銣礦,氧化銣儲量達87.36萬噸。(但實際查證后發現無此礦山的探礦證或采礦證的存在,也查無實地)

    根據實地走訪,在內蒙古錫林郭勒盟只有一家名為正鑲白旗同創礦業有限公司擁有銣礦資源,都北銀多金屬礦,探礦區面積4.76平方公里,并且處于持證探礦階段,在相關部門有備案,現已探明銣礦總量為9.6萬噸,已超過開采最低品味,為世界目前最大型銣礦礦山。

     

    (六)制取方法

     

    提取銣的化合物:主要方法有復鹽沉淀法、溶劑萃取法、離子交換法等多種。中國自貢從鹵水回收銣采用磷鉬酸銨沉淀法。制銣:用金屬熱還原法以鈣還原氯化銣,用鎂或碳化鈣還原碳酸銣,均可制得金屬銣。

     

    (七)化合物的應用

     

    長期以來,由于金屬銣化學性質比鉀還要活潑,在空氣中能自燃,其生產、貯存及運輸都必須嚴密隔絕空氣保存在液體石蠟、惰性氣體或真空中,因而制約了其在一般工業應用領域的開發研究和大量使用。

    然而,隨著人類科學技術的發展和對銣應用開發研究的不斷深入,近15年來,除在一些傳統的應用領域,如電子器件、催化劑及特種玻璃等,有了一定發展的同時,許多新的應用領域也不斷出現,特別是在一些高科技領域,顯示了廣闊的應用前景。以下綜述了利用銣及其化合物的一些特性, 在一些傳統和高科技領域內的應用現狀。

    頻率、時間標準

    人造地球衛星的發射系統、導航、運載火箭導航、導彈系統、無線通訊、電視轉播、 收發分置雷達、全球定位系統(GPS) 等空間技術的發展對所采用頻率與時間基準的長、短期準確度和穩定性要求越來越高。由于銣輻射頻率具有長時間的穩定性,87Rb原子的共振頻率被頻率標準確定為基準頻率。用作頻率標準和時間標準的銣原子頻標具有低漂移、高穩定性、抗輻射、體積小、重量輕、功耗低等特點。準確度極高的銣原子鐘,在370萬年中的走時誤差不超過1s。

    ②能源

    利用銣易于離子化的特點,多年來國內外在離子推進火箭、磁流體發電、熱離子轉換發電等方面的應用作了大量研究工作,并有了一些重要的發展。

    磁流體發電是把熱能直接轉換成電能的一種新型發電方式。用含銣及其化合物作磁流體發電機的發電材料(導電體),可獲得較高熱效率。如一般核電站的總熱效率為29%~32%,而結合磁流體發電可使核電站總熱效率提高到55%~66%

    熱離子發電是利用二極真空管的原理,把熱能直接變為電能。由于離子化銣能中和電極之間的空間電荷,因此,實際上提高了發射極的電子發射速度, 減少了集電極的能量損失等,即增加了換流器的能量輸出。如用銣和銫制作(含銣涂層電極) 的熱電換能器,與原子反應堆聯用時,可在原子反應堆的內部實現熱離子熱核發電。

    銣可用在空間飛行器的“離子推進發動機”中。以銣和銫作為材料的離子推進火箭,運行速度可達到 1.6X105k m·h -1; 一艘攜帶有500g銫和銣的離子推進宇宙飛船,其航程是當今使用固體或液體燃料的約150倍。

    特種玻璃

    含銣特種玻璃是當前銣應用的主要市場之一。碳酸銣常用作生產這些玻璃特種的添加劑,可降低玻璃導電率、 增加玻璃穩定性和使用壽命等。含銣特種玻璃已廣泛使用在光纖通訊和夜視裝置等方面。

    電子

    由于銣原子失去價電子非常容易,可見光的能量就足以使原子電離,受光電磁輻射作用下表面釋放自由電子,顯示出優良的光電特性、導電性、導熱性及強烈的化學活性,使它們在眾多技術領域中有著非常獨特的用途。通常銣化合物和合金是制造光電池、光電發射管、原子鐘、電視攝像管和光電倍增管的重要材料,也是紅外技術的必需材料,如銻化銣、碲化銣、銣銫銻合金等。使用了銣碲表面的光電發射管常被安裝在不同電子探測和激活裝置內,在寬輻射光譜范圍內仍具有高靈敏度。

    銣銫銻涂層常用在光電倍增管陰極上,用于輻射探測設備、醫學影像設備和夜視設備等。利用這些光電管、光電池可以實現一系列自動控制。

    碘化銣銀RbAg4I5是良好的電子導體,是已知離子型晶體中室溫電導率最高的。在環境溫度下,其電導率與稀硫酸相當,可用作固體電池的電解質,如薄膜電池。

    醫學

    氯化銣和其他幾種銣鹽用于DNA和RNA超速離心分離過程中的密度梯度介質; 放射性銣可用于血流放射性示蹤;碘化銣有時取代碘化鉀用于治療甲狀腺腫大;一些銣鹽可作為鎮靜劑、使用含砷藥物后的抗休克制劑和癲癇病治療等。

    其他方面

    銣及其化合物除上述應用領域外,還具有下列一些典型應用:銣及其與鉀、鈉、銫形成的合金可作為真空電子管中痕量氣體的吸氣劑和除去高真空系統中殘余氣體的除氣劑。銣作為化學示蹤劑,示蹤不同種類的生產物品。87Rb衰變成86Sr已廣泛應用于鑒別巖石和礦物年代。

    氯化銣用于鈉、銥、鈦、鋯和過氯酸鹽的分析;硝酸銣可作為分析試劑、氧化劑、環境控制分析中放射性物質檢測等。氯化銣、碳酸銣是制備金屬銣、其它銣鹽和同位素分離等的主要原料。

    銣及其一些銣鹽還可作為化工中一些有機化學反應的催化劑、陶瓷工業中的添加劑。金屬銣是制取其他高純銣鹽和銣單晶的基礎原料。

    隨著國內外高新技術產業的迅猛發展,銣及其化合物的一些獨特特性已顯示出極大的應用前景和重要的科學與商業價值,特別是在航天航空、能源和國防工業等領域的應用需求有不斷增加之態勢,顯示了強大的生命力。

    目前,發達國家銣的應用主要集中在高科技領域,有80%的銣用于開發高新技術,只有20%的銣用于傳統應用領域。特別值得一提的是,隨著世界能源日趨緊缺,人們都在尋求新的能量轉換方式,以提高效率和節約燃料,減少環境污染。銣在新能量轉換中的應用顯示了光明的前景,并已引起世界能源界的注目。

     

    (八)銣礦行業分析

     

    銣、銫在地殼中的含量分別為5.1X10-5--3.1×10-4和1.2X10-8--1X10-5,按元素豐度排列分別居16位和第40位。銣、銫資源主要賦存于花崗偉晶巖,鹵水和鉀鹽礦床中,F在人們主要從花崗偉晶巖礦床開發回收銣和銫,主要工業礦物是鋰云母和銫榴石。

    我國豐富的銣、銫資源,其儲量名列前茅,且類型齊全,分布全國。我國銣資源主要賦存于鋰云母和鹽湖鹵水中,鋰云母中銣含量占全國銣資源儲量的55%,以江西宜春儲量最為豐富,是目前我國銣礦產品的主要來源。湖南、四川的鋰云母礦中也含有銣。青海、西藏的鹽湖鹵水中含有極為豐富的銣,是有待于開發的我國未來的銣資源。

    與世界蘊藏的巨大銣資源儲量相比,銣及其化合物工業生產規模和應用市場, 需要大力研究開發, 并拓展銣及其化合物的應用領域, 這對推動銣資源的綜合利用具有重要經濟、社會和環境效益。

    隨著銣及其化合物需求的不斷擴大, 其分離、提純技術得以不斷發展, 從最早的分級結晶分離法、沉淀法, 到目前的離子交換法、溶劑萃取法等, 銣及其化合物的產品質量不斷提高, 生產成本逐步降低。

    銣及其化合物所具有的獨特特性, 如輻射能頻率的高穩定性, 易離子化, 優良的光電特性和強烈化學活性等, 已在國防工業、航天航空工業、生物工程、醫學及能源工業等高新技術領域顯現出廣闊的應用前景和市場需求, 特別是在能源領域中的應用更具巨大潛力和想像力。

     

    (九)新發現

     

    記者今日從廣東省礦業協會信息發布會獲悉,最近在廣東河源市龍川麻布崗鎮天堂山探明了一個超大型獨立銣礦床,經中國礦業聯合會組織專家評審通過的銣儲量達17.5萬噸(2000噸以上就屬大型礦)。該礦儲量已經廣東省國土資源廳儲量登記,并創建了世界第一個銣礦工業指標。經多家研究機構選礦實驗顯示,該礦屬于罕見的“較易選易取”的銣礦床。這是迄今為止世界上探明的首個獨立銣礦床,也是繼稀土之后在我國探明的又一種優勢礦產,標志著找礦史上的歷史性重大突破。

     

    (十)銣與黑洞

     

    實驗過程中,斯蒂恩豪爾等人將大約10萬個帶電銣原子冷卻到只比絕對零度高出不到十億分之十的溫度,同時借助磁場捕獲這些原子。在一束激光的幫助下,研究人員隨后創建一個電勢井以吸引銣原子同時促使它們在這種材料中以超音速Z字形穿過電勢井。這一過程產生了一個持續8毫秒左右的超音速流,進而快速形成一個能夠捕獲聲音的聲學黑洞。創造人造黑洞具有非常重要的意義,能夠促使科學家第一次探測霍金輻射。

     

    (根據《百度百科<銣>詞條》及其它相關資料綜合整理)

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