Rubidium wurde im Jahr 1861 von den deutschen Chemikern Robert Bunsen (1811-1899) und Gustav Kirchhoff (1824-1887) an der Universität Heidelberg entdeckt. Diese Entdeckung markierte einen Wendepunkt in der Geschichte der Chemie, da es die erste Identifizierung eines neuen chemischen Elements war, die ausschließlich durch Spektroskopie erfolgte, eine revolutionäre Technik, die Bunsen und Kirchhoff gerade entwickelt hatten.
Durch die Analyse des Emissionsspektrums einer Mineralwasserprobe aus Dürkheim, einem deutschen Kurort, beobachteten Bunsen und Kirchhoff zwei intensive, charakteristische dunkle rote Spektrallinien, die zuvor nie verzeichnet worden waren. Diese Linien, die bei 780,0 nm und 794,8 nm lagen, entsprachen keinem bekannten Element und wiesen auf die Anwesenheit eines neuen Elements in der Probe hin.
Die beiden Chemiker wählten den Namen Rubidium vom lateinischen rubidus, was dunkelrot oder tiefrot bedeutet, in Anlehnung an die intensiven roten Spektrallinien, die seine Existenz offenbarten. Nach der Identifizierung des Elements durch Spektroskopie gelang es Bunsen 1863, eine kleine Menge metallisches Rubidium durch Elektrolyse von geschmolzenem Rubidiumchlorid zu isolieren.
Die Entdeckung von Rubidium, gefolgt kurz darauf von der Entdeckung von Cäsium durch dieselben Forscher, demonstrierte die Leistungsfähigkeit der spektroskopischen Analyse als Werkzeug zur Entdeckung chemischer Elemente. Diese Technik ermöglichte die Identifizierung von Elementen, die in winzigen Mengen vorhanden sind, und eröffnete eine neue Ära in der Erforschung der chemischen Zusammensetzung der Materie. Bunsen und Kirchhoff legten damit die Grundlagen der modernen Spektroskopie, eine Technik, die nicht nur die Chemie, sondern auch die Astronomie revolutionieren sollte.
Rubidium (Symbol Rb, Ordnungszahl 37) ist ein Alkalimetall der Gruppe 1 des Periodensystems. Sein Atom hat 37 Protonen, in der Regel 48 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{85}\mathrm{Rb}\)) und 37 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Kr] 5s¹.
Rubidium ist ein weiches, silberweißes und hochreaktives Metall. Es ist so weich, dass es mit einem Messer geschnitten werden kann, wobei eine glänzende Oberfläche entsteht, die sich an der Luft schnell durch die Bildung einer Oxidschicht trübt. Seine Dichte beträgt 1,53 g/cm³, was es leichter als Wasser macht, und es ist das zweitgeringste Dichteelement aller Metalle nach Lithium unter den Alkalimetallen.
Rubidium hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt von 39,3 °C (312,5 K), was bedeutet, dass es in der Hand durch bloßen Kontakt schmelzen kann (obwohl dies aufgrund seiner Reaktivität extrem gefährlich ist). Es ist eines der vier Metalle, die bei Raumtemperatur oder leicht darüber flüssig oder fast flüssig sind, zusammen mit Quecksilber, Gallium und Cäsium.
Rubidium siedet bei 688 °C (961 K) und erzeugt einen charakteristischen blau-violetten Dampf. Metallisches Rubidium muss unter einer inerten Atmosphäre (Argon) oder in Mineralöl aufbewahrt werden, um es vor Oxidation und atmosphärischer Feuchtigkeit zu schützen.
Schmelzpunkt von Rubidium: 312,5 K (39,3 °C).
Siedepunkt von Rubidium: 961 K (688 °C).
Rubidium hat die niedrigste Ionisierungsenergie aller nicht radioaktiven Elemente (403 kJ/mol).
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Rubidium-85 — \(\,^{85}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 48 | 84,911789 u | ≈ 72,17 % | Stabil | Hauptisotop von natürlichem Rubidium. Wird in kommerziellen Atomuhren verwendet. |
| Rubidium-87 — \(\,^{87}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 50 | 86,909180 u | ≈ 27,83 % | ≈ 4,88 × 10¹⁰ Jahre | Radioaktiv (β⁻). Extrem lange Halbwertszeit. Zerfällt zu Strontium-87, wird in der geochronologischen Datierung verwendet. |
| Rubidium-82 — \(\,^{82}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 45 | 81,918209 u | Synthetisch | ≈ 1,27 Minuten | Radioaktiv (β⁺). Positronenemitter, wird in der kardialen PET-Bildgebung zur Beurteilung der myokardialen Perfusion verwendet. |
| Rubidium-83 — \(\,^{83}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 46 | 82,915110 u | Synthetisch | ≈ 86,2 Tage | Radioaktiv (Elektroneneinfang). Wird in der medizinischen Forschung und Kernphysik verwendet. |
| Rubidium-84 — \(\,^{84}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 47 | 83,914385 u | Synthetisch | ≈ 32,8 Tage | Radioaktiv (β⁺, β⁻, Elektroneneinfang). Wird in Kernreaktoren hergestellt, als Tracer verwendet. |
| Rubidium-86 — \(\,^{86}\mathrm{Rb}\,\) | 37 | 49 | 85,911167 u | Synthetisch | ≈ 18,6 Tage | Radioaktiv (β⁻). Beta-Strahler, wird in der Nuklearmedizin und als Tracer in der Biologie verwendet. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Rubidium hat 37 Elektronen, die auf fünf Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration ist : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 5s¹, oder vereinfacht: [Kr] 5s¹. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(8) O(1) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig, und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei, die das Valenzelektron schützt.
N-Schale (n=4): enthält 8 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶, und bildet die Edelgaskonfiguration von Krypton.
O-Schale (n=5): enthält 1 einzelnes Elektron in der 5s-Unterschale. Dieses einzelne Elektron ist das Valenzelektron von Rubidium.
Das einzelne Elektron in der äußeren Schale (5s¹) ist das Valenzelektron von Rubidium. Dieses Elektron ist sehr schwach an den Kern gebunden, aufgrund der großen Entfernung, die es vom Kern trennt, und der starken Abschirmwirkung der vollständigen inneren Elektronenschalen. Diese niedrige Ionisierungsenergie (403 kJ/mol, die niedrigste unter den stabilen Elementen) verleiht Rubidium eine außergewöhnliche chemische Reaktivität.
Der Oxidationszustand von Rubidium ist ausschließlich +1 in allen seinen chemischen Verbindungen. Rubidium verliert leicht sein Valenzelektron, um das Rb⁺-Ion mit der stabilen Elektronenkonfiguration von Krypton [Ar] 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ zu bilden. Diese vollständige Oktettkonfiguration macht das Rubidium-Ion besonders stabil.
Der Ionenradius von Rb⁺ (152 pm) ist deutlich größer als der von Kalium K⁺ (138 pm) und kleiner als der von Cäsium Cs⁺ (167 pm), was seine intermediate Position in Gruppe 1 widerspiegelt. Diese intermediate Größe beeinflusst seine chemischen Eigenschaften und seine Fähigkeit, andere Alkalionen in kristallinen Strukturen und biologischen Systemen zu ersetzen.
Die sehr niedrige Elektronegativität von Rubidium (0,82 auf der Pauling-Skala) zeigt, dass seine chemischen Bindungen fast vollständig ionisch sind. Rubidium bildet ionische Verbindungen mit praktisch allen Nichtmetallen, insbesondere mit Halogenen, Sauerstoff und Schwefel. Der extrem ausgeprägte metallische Charakter von Rubidium macht es zu einem der elektropositivsten Elemente im Periodensystem.
Rubidium ist eines der reaktivsten Metalle im Periodensystem, übertroffen nur von Cäsium und Francium (radioaktiv). Es reagiert heftig und spontan mit Wasser bei Raumtemperatur und bildet Rubidiumhydroxid und Wasserstoffgas: 2Rb + 2H₂O → 2RbOH + H₂. Diese Reaktion ist so exotherm, dass der entstandene Wasserstoff sofort entzündet und eine charakteristische rot-violette Flamme erzeugt, die durch verdampftes Rubidium verursacht wird.
Rubidium oxidiert sofort an der Luft, bildet zunächst eine Schicht aus Rubidiumoxid (Rb₂O) und dann schnell Rubidiumperoxid (Rb₂O₂) und Rubidiumsuperoxid (RbO₂) in Gegenwart von Sauerstoff. Die Reaktion ist so schnell, dass eine frisch geschnittene Rubidiumoberfläche ihren metallischen Glanz innerhalb weniger Sekunden verliert: 4Rb + O₂ → 2Rb₂O oder Rb + O₂ → RbO₂ (bei Sauerstoffüberschuss).
Mit Halogenen reagiert Rubidium mit explosiver Gewalt. Die Reaktion mit Chlor ist besonders spektakulär: 2Rb + Cl₂ → 2RbCl, wobei eine intensive Flamme und weißer Rauch von Rubidiumchlorid entstehen. Die Rubidiumhalogenide (RbF, RbCl, RbBr, RbI) sind sehr stabile, weiße ionische Feststoffe und hochlöslich in Wasser.
Rubidium reagiert heftig mit Säuren, selbst in verdünnter Form, und bildet Rubidiumsalze und setzt Wasserstoff frei: 2Rb + 2HCl → 2RbCl + H₂. Diese Reaktion ist extrem gefährlich aufgrund der freigesetzten Wärme und der wahrscheinlichen Entzündung des Wasserstoffs.
Wie andere Alkalimetalle löst sich Rubidium in flüssigem Ammoniak und bildet blaue, leitfähige Lösungen, die solvatisierte Elektronen enthalten. Diese Lösungen werden als starke Reduktionsmittel in der chemischen Synthese verwendet. Rubidium bildet auch Amalgame mit Quecksilber und Legierungen mit anderen Alkalimetallen.
Rubidium reagiert direkt mit Wasserstoff bei hoher Temperatur und bildet Rubidiumhydrid (RbH), eine sehr reaktive weiße ionische Verbindung. Mit Schwefel bildet es Rubidiumsulfid (Rb₂S), und mit Stickstoff bei sehr hoher Temperatur kann es Rubidiumnitrid (Rb₃N) bilden, obwohl diese Reaktion schwer durchzuführen ist.
Rubidium spielt eine entscheidende Rolle in modernen Zeitstandards dank Rubidium-Atomuhren. Diese Geräte nutzen den Hyperfeinübergang des Rubidium-87-Atoms bei einer Frequenz von 6,834 682 610 904 29 GHz, die als extrem stabile Referenz für die Zeitmessung dient.
Rubidium-Atomuhren sind kompakter, weniger kostspielig und robuster als Cäsium-Uhren, wenn auch etwas weniger präzise. Sie bieten eine Frequenzstabilität in der Größenordnung von 10⁻¹² bis 10⁻¹³, was einer Abweichung von weniger als einer Sekunde alle 300.000 bis 3 Millionen Jahre entspricht. Diese außergewöhnliche Präzision macht sie ideal für eingebettete Anwendungen, die eine hohe zeitliche Stabilität erfordern.
GPS-Satelliten (Global Positioning System) tragen Atomuhren, von denen einige Rubidium als Referenz verwenden. Die Genauigkeit der GPS-Positionsbestimmung hängt direkt von der zeitlichen Synchronisation zwischen den Satelliten und den Bodenempfängern ab. Ein Mikrosekunden-Fehler in der Zeitmessung führt zu einem Positionsfehler von etwa 300 Metern.
Rubidium-Atomuhren werden auch in Telekommunikationsnetzen zur Synchronisation von Geräten, in Mobilfunkbasisstationen, in maritimen und luftgestützten Navigationssystemen und in vielen wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt, die eine ultra-stabile Zeitreferenz erfordern.
Rubidium wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) sowie durch geringfügige Beiträge des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen synthetisiert. Rubidium-87, das schwerste Isotop, wird bevorzugt durch den s-Prozess gebildet.
Die kosmische Häufigkeit von Rubidium beträgt etwa 1×10⁻⁹ mal die von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es relativ selten im Universum macht. Diese Seltenheit erklärt sich durch seine Position jenseits des Eisenpeaks in der Kernstabilitätskurve und durch die Schwierigkeiten bei der Synthese von Kernen in diesem Atommassereich.
Rubidium-87 ist ein natürliches radioaktives Isotop mit einer sehr langen Halbwertszeit (48,8 Milliarden Jahre, etwa 3,5 mal das Alter des Universums). Es zerfällt durch Beta-Emission zu stabilem Strontium-87. Dieser extrem langsame Zerfall macht das Rubidium-Strontium-System zu einem grundlegenden geochronologischen Werkzeug zur Datierung alter Gesteine und Meteoriten.
Die Rubidium-Strontium-Datierungsmethode basiert auf der Messung des Isotopenverhältnisses ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr und des Verhältnisses ⁸⁷Rb/⁸⁶Sr in Mineralien. Diese Technik hat es ermöglicht, das Alter der Erde (etwa 4,54 Milliarden Jahre), das Alter der ältesten irdischen Gesteine (über 4 Milliarden Jahre) und das Bildungsalter vieler Meteoriten zu bestimmen, und liefert damit wesentliche Einschränkungen für die Geschichte des Sonnensystems.
Die Spektrallinien von neutralem und ionisiertem Rubidium (Rb I, Rb II) können in den Spektren bestimmter kühler K- und M-Sterne sowie in roten Riesensternen, die mit s-Elementen angereichert sind, beobachtet werden. Die Analyse dieser Linien ermöglicht die Untersuchung der stellaren chemischen Zusammensetzung und die Verfolgung der schrittweisen Anreicherung von Galaxien mit schweren Elementen während der kosmischen Evolution.
Im Sonnensystem zeigt Rubidium interessante isotopische Variationen zwischen verschiedenen Meteoritenarten, die die Bildungsbedingungen und die thermische Geschichte ihrer Mutterkörper widerspiegeln. Diese Variationen liefern Informationen über die planetare Differenzierungsprozesse und die Chronologie der Ereignisse im frühen Sonnensystem.
N.B.:
Rubidium ist in der Erdkruste in einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 0,0090% der Masse (90 ppm) vorhanden, was es häufiger macht als Kupfer, Zink oder Blei. Trotz dieser relativen Häufigkeit bildet Rubidium keine eigenen Erze und ist immer mit anderen Elementen assoziiert, hauptsächlich in Kaliummineralien, mit denen es chemisch sehr ähnlich ist.
Die Hauptquellen für Rubidium sind Lithiummineralien wie Lepidolith (Lithiumglimmer), der bis zu 3,5% Rubidium enthalten kann, Pollucit (Cäsium-Rubidium-Silikat) und bestimmte Glimmer wie Biotit. Rubidium ist auch in Carnallit (Kaliumerz) und in den Mutterlaugen von Kaliumsalzlagerstätten vorhanden.
Die weltweite Produktion von metallischem Rubidium ist sehr gering, in der Größenordnung von 2 bis 3 Tonnen pro Jahr, hauptsächlich abgebaut in Kanada, den Vereinigten Staaten und China. Rubidium wird allgemein als Nebenprodukt der Lithium- und Cäsiumproduktion gewonnen. Die Extraktion erfolgt durch komplexe chemische Prozesse, einschließlich selektiver Fällung, Ionenaustausch und elektrochemischer Reduktion.
Metallisches Rubidium ist ein extrem teures Nischenprodukt, mit Preisen, die über 50.000 Euro pro Kilogramm für reines Metall liegen können. Rubidiumverbindungen wie Chlorid (RbCl) oder Carbonat (Rb₂CO₃) sind weniger kostspielig, bleiben aber spezialisierte Chemikalien, die für Forschung und Hochtechnologieanwendungen reserviert sind.
Der Rubidiummarkt wird von Anwendungen in der Elektronik und Zeitmesstechnik dominiert. Die Nachfrage ist relativ stabil, aber begrenzt, mit potenziellem Wachstum durch die Entwicklung von Quantentechnologien, kompakten Atomuhren und neuen Weltraumnavigationssystemen. Die Forschung an Bose-Einstein-Kondensaten und Quantencomputern könnte die zukünftige Nachfrage nach hochreinem Rubidium stimulieren.
