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、アルカリ金属群に属する非常に柔らかい白灰色の固体です。[9]ルビジウムは、アルカリ金属群の中で初めて水よりも密度が高い元素です。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、28%はわずかに放射性の87 Rbで、半減期は488億年と、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年に新たに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。その名前は、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、様々な化学的・電子的用途があります。ルビジウム金属は気化しやすく、スペクトル吸収域が都合が良いため、レーザーによる原子操作の標的としてよく使用されます。[10]ルビジウムは、いかなる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似た特性と電荷を持ち、動物細胞に同様に 取り込まれ、処理されます。

特徴

物理的特性

アンプル内の部分的に溶融したルビジウム金属

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す。[11]融点は39.3℃（102.7℉）、沸点は688℃（1,270℉）です。[12]水銀とアマルガムを形成し、金、鉄、セシウム、ナトリウム、カリウムとは合金を形成しますが、リチウムとは合金を形成しません（ルビジウムとリチウムは同じ周期族に属しているにもかかわらず）。[13]ルビジウムとカリウムは炎色反応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す。[14]

化学的性質

ルビジウム結晶（銀色）とセシウム結晶（金色）の比較

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。[12]電子配置は [Kr]5s 1であり、感光性がある。[15] : 382 強い電気陽性の性質のため、ルビジウムは水と爆発的に反応し[16]、水酸化ルビジウムと水素ガスを生成する。[15] : 383 すべてのアルカリ金属と同様に、反応は通常、金属または反応で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。 [17]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。[18]ただし、すべてのアルカリ金属の反応速度は水と接触する金属の表面積に依存し、小さな金属液滴は爆発的な速度を与える。[19]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。[11]

化合物

球棒図は、2つの正八面体が1つの面で繋がっている様子を表しています。構造の9つの頂点はすべてルビジウムを表す紫色の球体で、各八面体の中心には酸素を表す小さな赤い球体があります。
Rb
9お
2クラスタ

塩化ルビジウム（RbCl）はおそらく最も多く使われているルビジウム化合物です。数ある塩化物の中でも、生細胞に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微量しか存在せず、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。その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水酸化ルビジウム（RbOH）、一部の光学ガラスに使われる炭酸ルビジウム（Rb 2 CO 3）、硫酸ルビジウム銅（Rb 2 SO 4 ·CuSO 4 ·6H 2 O）などがあります。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、薄膜電池などの用途に利用されている特性です。 [20] [21]

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、様々な酸化物を形成します。また、ルビジウムは過剰酸素中ではスーパーオキシド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。[22]

同位体

地殻中のルビジウムは、安定同位体85 Rb（72.2%）と放射性同位体 87 Rb（27.8%）の2つの同位体から構成されています。[23]天然ルビジウムは放射性であり、比放射能は約670 Bq / gで、 110日間で写真フィルムを相当量露光できる量です。 [24] [25]他に30種類のルビジウム同位体が合成されており、半減期は3か月未満です。そのほとんどは放射能が高く、用途は限られています。[26]

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。Rb の相対密度は(13.799 ± 0.021) × 10 9 年であり[27] 、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、かなり広く存在している。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 は斜長石に濃縮する傾向があり、Rb は液相で残る。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。最も高い比率 (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外挿できる場合は、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。年代測定は、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す（ルビジウム-ストロンチウム年代測定を参照）。[28] [29]

ルビジウム82は、ストロンチウム82の電子捕獲崩壊によって生成され、半減期は25.36日です。ルビジウム82は半減期76秒で陽電子放出崩壊し、安定なクリプトン82になります。[23]

発生

ルビジウムは豊富ではなく、地球の地殻の0.05％を構成する56の元素の1つです。地球の地殻でおよそ23番目に豊富な元素であり、亜鉛や銅よりも豊富です。[30] : 4 ルビジウムは、リューサイト、ポルサイト、カーナライト、ジンワルド石などの鉱物に自然発生し、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。[31]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。[32]

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と非常に高く、セシウムは0.3μg/Lと非常に低い値です。[33]ルビジウムは海水中で18番目に豊富な元素です。[15] : 371 

ルビジウムはイオン半径が大きいため、「不適合元素」の一つである。[34]マグマの結晶化過程において、ルビジウムはより重い類似元素であるセシウムと共に液相中に濃縮され、最後に結晶化する。したがって、ルビジウムとセシウムの最大の鉱床は、この濃縮過程によって形成された帯状ペグマタイト鉱体である。ルビジウムはマグマの結晶化においてカリウムの代替物となるため、セシウムの濃縮効果ははるかに低い。ポルサイトとして採掘可能な量のセシウムを含む帯状ペグマタイト鉱体、またはリチウム鉱物であるレピドライトも、副産物としてルビジウムの供給源となる。[30]

ルビジウムの注目すべき供給源として、カナダのマニトバ州ベルニック湖のポルサイト鉱床と、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つが挙げられます。[35]これらの鉱床はどちらもセシウムの供給源でもあります。[36]

生産

ルビジウムの炎色試験

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存在しないことから、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。 [30]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、クロロスズネート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。[30] [37]

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した。アルカルブにはルビジウムが21%含まれており、残りはカリウムと少量のセシウムでした。[38]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ます。[30]

歴史

中年の男性が3人。真ん中の男性が座っている。全員がロングジャケットを着ており、左の背の低い男性は髭を生やしている。
グスタフ・キルヒホフ（左）とロバート・ブンゼン（中央）は分光法によってルビジウムを発見しました。（ヘンリー・エンフィールド・ロスコーは右です。）

ルビジウムは1861年、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、炎色分光法を用いて鉱物レピドライトから発見されました。その発光スペクトルに鮮やかな赤色の線が見られることから、彼らはラテン語で「深紅」を意味する「rubidus 」に由来するルビジウムという名称を選びました。 [39] [40]

ルビジウムはレピドライトに含まれる微量成分です。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150kgのレピドライトを処理しました。カリウムとルビジウムはどちらも塩化白金酸と不溶性の塩を形成しますが、これらの塩は熱水への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。この六塩化白金酸ルビジウムを水素で還元した後、0.51グラムの塩化ルビジウム（RbCl）が得られ、さらなる研究に利用されました。ブンゼンとキルヒホフは、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が得られました。[39] [40]ルビジウムは、ブンゼンとキルヒホ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によって発見された2番目の元素でした。[41]

二人の科学者は塩化ルビジウムを用いて、新元素の原子量を85.36と推定した（現在認められている値は85.47である）。 [39]彼らは溶融塩化ルビジウムの電気分解によってルビジウム元素を生成しようとしたが、金属ではなく、青色の均質物質が得られた。これは「肉眼でも顕微鏡でも金属物質の痕跡を全く示さない」ものであった。彼らはそれが亜塩化物（Rb
2Cl）であったが、生成物は金属ルビジウムと塩化ルビジウムのコロイド状混合物であった可能性が高い。 [42]金属ルビジウムを製造するための2度目の試みとして、ブンゼンは炭化した酒石酸ルビジウムを加熱することで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ものの、密度と融点を測定することに成功した。1860年代におけるこの研究の質は、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。[43]

ルビジウムのわずかな放射能は1908年に発見されましたが、これは同位体理論が確立された1910年以前のことであり、放射能レベルが低い（半減期が10年を超える） ため、解釈が複雑でした。現在では証明されている87 Rbから安定な87 Srへのベータ崩壊は、1940年代後半でもまだ議論の的でした。[44] [45]

ルビジウムは1920年代以前は工業的価値がほとんどありませんでした。[30]それ以降、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分野における研究開発です。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、[46]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ました。[47]

アプリケーション

アメリカ海軍天文台のルビジウム泉原子時計

ルビジウム化合物は花火に紫色をつけるために使用されることがある。[48]ルビジウムは、高温のルビジウムイオンを磁場に通過させる磁気流体力学の原理を使用した熱電発電機への使用も検討されている。[49]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、特に蒸発した87 Rb は、レーザー冷却やボーズ・アインシュタイン凝縮に用いられる最も一般的に使用される原子種の一つである。 この用途におけるその望ましい特徴として、関連する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、およびかなりの蒸気圧を得るのに必要な適度な温度が挙げられる。[50] [51]調整可能な相互作用を必要とする冷却原子用途では、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。[52]

ルビジウムはHe 3 の偏極に用いられ、核スピンがランダムではなく整列した磁化されたHe 3ガスを大量に生成する。ルビジウム蒸気はレーザー光でポンピングされ、偏極したRbは超微細相互作用によってHe 3を偏極させる。[53]このようなスピン偏極He 3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生成に有用である。[54]

原子時計の共振素子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な計時に役立ちます。ルビジウムは、基地局送信機やその他の電子送信、ネットワーク、試験機器における二次周波数基準（ルビジウム発振器）の主要部品として使用されています。これらのルビジウム標準器は、 GNSSにおいてセシウム標準器よりも精度が高く安価な「一次周波数標準器」を生成するためによく使用されます。[55] [56]このようなルビジウム標準器は、通信業界向けに大量生産されることがよくあります。[57]

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。[58]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。[59]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。[59]

ルビジウム82は陽電子放出断層撮影（PET）に用いられる。ルビジウムはカリウムと非常に類似しており、カリウム含有量の高い組織は放射性ルビジウムも蓄積する。主な用途の一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、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、放射性同位元素ルビジウム82を核医学において脳腫瘍の位置特定と画像化に用いることができる。[60]ルビジウム82の半減期は76秒と非常に短いため、ストロンチウム82の崩壊による生成は患者の近くで行う必要がある。[61]

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。[62] [63]うつ病を患う透析患者はルビジウムが枯渇していることが報告されており、そのため、ルビジウムの補給はうつ病の治療に役立つ可能性がある。[64]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最大720mg/日を60日間投与された。[65] [66]

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、この金属は通常、乾燥鉱油中で保管するか、ガラスアンプルに密封して不活性雰囲気下で保管されます。ルビジウムは、油中に拡散した少量の空気に触れるだけでも過酸化物を生成するため、保管には金属カリウムと同様の注意が必要です。[68]

ルビジウムは、ナトリウムやカリウムと同様に、水に溶解するとほぼ常に+1の酸化状態をとり、これは生物学的な状況でも同様です。人体はRb +イオンをカリウムイオンとして扱う傾向があるため、ルビジウムは体内の細胞内液（すなわち細胞内）に濃縮されます。[69]これらのイオンは特に毒性が強くなく、体重70kgの人体には平均0.36g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。[70]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。[ 62 ]カリウムをルビジウムで部分的に置換することは可能ですが、ラットの筋肉組織中のカリウムの50%以上をルビジウムで置換すると、ラットは死亡しました。[71] [72]

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さらに読む

  • メイツ、ルイス (1963). 『分析化学ハンドブック』（ニューヨーク：マグロウヒル・ブック・カンパニー、1963年）
  • Steck, Daniel A. 「ルビジウム87 D線データ」（PDF）ロスアラモス国立研究所（技術報告書 LA-UR-03-8638）。 2013年11月2日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2008年2月9日閲覧。